Efectos de biopelículas sobre la capacidad hidráulica de sistemas de alcantarillado con tuberías ADS

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(1)Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados. CIACUA. CÁTEDRA PAVCO EFECTOS DE BIOPELÍCULAS SOBRE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DE SISTEMAS DE ALCANTARILLADO CON TUBERÍAS ADS Bogotá, Diciembre del 2006.

(2) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. Tabla de Contenido 1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 1. 2. OBJETIVOS ................................................................................................................ 2 2.1 2.2 2.3. OBJETIVO GENERAL................................................................................................. 2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................................... 2 ALCANCE .............................................................................................................. 2. 3. ANTECEDENTES........................................................................................................ 3. 4. MARCO TEÒRICO...................................................................................................... 4 4.1 HIDRÁULICA DE TUBERÍAS ........................................................................................ 4 4.1.1 Formula de Manning........................................................................................... 4 4.1.2 Flujo Gradualmente Variado................................................................................ 6 4.2 ASPECTOS B ÁSICOS DEL P OLIETILENO ALTA DENSIDAD (ADS) ........................................ 7 4.3 ASPECTOS B ÁSICOS DE LAS AGUAS R ESIDUALES ........................................................... 8 4.3.1 Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales.......................................................... 8 4.3.2 Contribución de Aguas Residuales ......................................................................... 8 4.3.2.1 4.3.2.2 4.3.2.3 4.3.2.4. 4.3.3 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4 4.6 4.7 4.8 4.8.1. Ventajas de Tratamiento de Aguas Residuales dentro del Alcantarillado....................... 9 P ROCESOS DENTRO DEL ALCANTARILLADO................................................................. 10 Que es un Alcantarillado.................................................................................... 10 Proceso Aerobio............................................................................................... 10 Proceso Anaerobio............................................................................................ 11 B IOPELÍCULA ....................................................................................................... 11 Definición ....................................................................................................... 11 Inicio de Estudios ............................................................................................. 12 Características de las Biopelículas....................................................................... 13 Bioremediación de aguas residuales..................................................................... 14 EFECTO HIDRÁULICO DE LA BIOPELÍCULA SOBRE LA T UBERÍAS ...................................... 14 EFECTO HIDRÁULICO DE LOS MEDIOS DE S OPORTE PARA LA F ORMACIÓN DE BIOPELÍCULAS . 15 P ARÁMETROS DE C ONTROL DE C ALIDAD DE AGUA ....................................................... 15 Demanda Química de Oxígeno (DQO).................................................................. 15. 4.8.2. pH ................................................................................................................. 16. 4.8.1.1 4.8.1.2. 5. Domésticas..................................................................................................................................................9 Industriales..................................................................................................................................................9 Comercial.....................................................................................................................................................9 Lluvias..........................................................................................................................................................9. P roceso en Laboratorio...........................................................................................................................16 Comparación con Demanda Biológica de Oxigeno (DBO).............................................................16. METODOLOGIA....................................................................................................... 17 5.1 MODELO HIDRÁULICO............................................................................................ 17 5.1.1 Modelo Matemático .......................................................................................... 17 5.1.1.1 5.1.1.2 5.1.1.3 5.1.1.4 5.1.1.5. 5.1.2. Ecuación de Continuidad........................................................................................................................17 Ecuación de Cantidad de Movimiento.................................................................................................18 Ecuación de Energía................................................................................................................................18 Ecuación de FGV.....................................................................................................................................18 Leyes de Fricción.....................................................................................................................................19. Modelo Físico.................................................................................................. 19. 5.1.2.1. Descripción del modelo..........................................................................................................................20. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS.

(3) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. 5.1.3 Materiales y recomendaciones para la preparación y mantenimiento del agua sintética residual 26 5.1.4 Plan General para Desarrollo de Investigación...................................................... 27 5.1.4.1 5.1.4.2 5.1.4.3. FASE 1.......................................................................................................................................................27 FASE 2.......................................................................................................................................................27 FASE 3.......................................................................................................................................................27. 5.2 DESCRIPCIÓN DE LAS MEDICIONES............................................................................ 27 5.2.1 Medición de Caudales ....................................................................................... 28 5.2.2 Medición de Pendiente....................................................................................... 28 5.2.3 Medición de la Profundidad del Flujo................................................................... 29 5.2.4 Mediciones de la Biopelícula .............................................................................. 31 5.3 DETERMINACIÓN DEL C OEFICIENTE DE MANNING........................................................ 33 5.3.1 Indicadores de Ajuste ........................................................................................ 34 5.3.1.1 5.3.1.2. 5.3.2 5.3.3. Procedimiento para la Calibración...................................................................... 35 Método Usado para la Solución de FGV............................................................... 36. 5.3.3.1. 6. Error Cuadrático Medio (ECM)............................................................................................................34 Eficiencia...................................................................................................................................................35. Método de Runge-Kutta..........................................................................................................................36. RESULTADOS Y ANÁLISIS....................................................................................... 38 6.1 6.2 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.4. 6.5 6.6. P ENDIENTES USADAS ............................................................................................. 38 N DE MANNING VS. P ENDIENTE................................................................................ 39 N DE MANNING VS. C AUDAL ................................................................................... 40 N Manning vs. Caudal por Mes ........................................................................... 41 N de Manning vs. Caudal Quincenal .................................................................... 46 Manning vs. Caudal según la Pendiente................................................................ 52 N DE MANNING VS. T IEMPO DE R ECIRCULACIÓN.......................................................... 53. S Q ........................................................................................ 61 N DE MANNING VS.. ANÁLISIS COMPARATIVO DE EVOLUCIÓN DE B IOPELÍCULA Y SU EFECTO HIDRÁULICO SOBRE LA TUBERÍA 63 6.7 ANÁLISIS DE LA C ALIDAD DEL AGUA ........................................................................ 70 7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES................................................................ 72. 8. BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................ 74. ANEXO 1 - TABLA DE DISTANCIA ENTRE PIEZÓMETROS PARA AGUA POTABLE Y RESIDUAL .......................................................................................................................... I ANEXO 2 - DATOS OBTENIDOS EN PRUEBAS EXPERIMENTALES (AGUA POTABLE)....III ANEXO 3 – DATOS OBTENIDOS EN PRUEBAS EXPERIMENTALES (AGUA RESIDUAL) .. VI ANEXO 4 – GRÁFICAS OBTENIDAS EN PRUEBAS EXPERIMENTALES Y PERFILES TEORICOS (AGUA POTABLE)..................................................................................... XVIII ANEXO 5 – GRÁFICAS OBTENIDAS EN PRUEBAS EXPERIMENTALES Y PERFILES TEORICOS (AGUA RESIDUAL).................................................................................... XXIII 9. ÍNDICE DE FIGURAS........................................................................................... XXIX. 10. ÍNDICE DE TABLAS...............................................................................................XXX. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS.

(4) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. 1 Introducción La realización de estudios para encontrar soluciones más económicas para el tratamiento de aguas residuales se ha convertido en uno de los intereses actuales de PAVCO S.A. El estudio e implementación de nuevos materiales para ser utilizados en sistemas de alcantarillado es fundamental para lograr: la adaptación de biopelículas en los medios de soporte de las tuberías corrugadas e incrementar los procesos químicos, físicos y microbiológicos de descomposición que ocurren dentro del sistema. Esto se puede lograr variando la rugosidad del material para así, aprovechar el transporte de las aguas residuales hasta las plantas de tratamiento (PTAR) en su tratamiento. En este proyecto se realizará un estudio simulando el comportamiento de la tubería ADS de PAVCO S.A., haciendo pruebas en el laboratorio con aguas residuales sintéticas en un tramo de la tubería de polietileno de alta densidad (ADS), en un período de tiempo de 3 meses con análisis de crecimiento de biopelículas quincenales para poder tener un control de crecimiento de la bacteria. Los datos recolectados serán compilados y procesados para encontrar el coeficiente de M anning y la rugosidad del sistema (Ks), para poder analizar que influencia tiene la Biopelícula en este medio de suporte. Posteriormente se entregaran unos análisis y resultados que concluirán esta investigación dando a conocer la influencia que tiene la biopelícula en este sistema corrugado para tubería, la variación del N de M anning para los distintos caudales.. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 1.

(5) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. 2 OBJETIVOS. 2.1 Objetivo General o Estudiar el efecto que puede causar un medio de soporte que promueve la formación de biopelícula en tubería de alcantarillado, sobre el comportamiento hidráulico de la misma.. 2.2 Objetivos Específicos o Obtener los análisis y resultados esperados para la optimización de la capacidad hidráulica de los sistemas de alcantarillado. o Evaluar en forma experimental el efecto de un medio de soporte “corrugado” para biopelículas sobre el N de M anning de una tubería de alcantarillado ADS – PAVCO. o Evaluar el efecto del coeficiente de M anning y el Ks con respecto al tiempo de recirculación del agua residual sintética dentro de la tubería.. 2.3 Alcance Por medio de pruebas experimentales realizadas en el laboratorio, identificar cambios en el n de M anning con respecto al tiempo, debido al crecimiento de la biopelícula en un nuevo sistema de tubería corrugada de ADS diseñada por PAVCO, se analizará el comportamiento de esta y su efecto hidráulico sobre el sistema. Este se realizara en dos etapas, la primera se realizaran pruebas y análisis con agua potable en un periodo de tiempo determinado, y la segunda etapa se le adicionara agua residual sintética proveniente de la planta de tratamiento El Salitre realizando oportunamente sus pruebas y análisis.. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 2.

(6) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. 3 ANTECEDENTES Durante los últimos años la Universidad de Los Andes por medio del CIACUA (Centro de investigaciones en acueductos y alcantarillados) han desarrollado investigaciones en conjunto con PAVCO, empresa que con su aporte innovador y tecnológico en el área de acueductos y alcantarillados ha diseñado tuberías de distintos materiales, formas, tamaños y le han dado la oportunidad a esta universidad de compartir sus innovaciones para el análisis experimental y seguimiento con estudiantes y profesionales capacitados para cada uno de sus investigaciones. Se han realizado varias investigaciones anteriormente de diferentes tipos: o 1995, M odelo físico hecho por Unger, Este se simulo con una tubería NOVAFORT de 6”, los resultados de esta investigación mostraron una disminución de un 9,05% en el n de M anning. o 1996, Plantas de bombeo de aguas residuales de El Salitre, en laboratorio se simulo un modelo parecido al usado en esta planta y se compararon los resultados dados en los dos lugares. o 1998, Tubería NOVAFORT de 10” a 16” mostraron aumento inicial de la rugosidad para los primeros días de circulación, y luego una disminución notoria. o 2000 y 2001, Estudio de sistemas de alcantarillado como una alternativa de pretratamiento de aguas residuales. M edio de soporte para biopelículas fue nylon de 0.5mm en el interior de la tubería, el diámetro de tubería utilizado fue de 12” y las eficiencias de remoción alcanzaron un 40%. o 2001, efecto que genera el medio de soporte de nylon de 0.5mm sobre la hidráulica en las tuberías, esto filamentos aumentaron el N de M anning a un valor de 0.0152. o 2003, se analizó el efecto hidráulico de estructuras de soporte de biopelícula en tuberías de alcantarillado, en la cual se usaron tuberías NOVALOC de 24” utilizando 2 medios de soporte, uno era de material geodren enrollado adherido a la parte interna de la tubería, y el otro fue un geotextil también adherido al totalmente al interior de la tubería. Los materiales como el geodren aumentaron el N de manning en tubería con agua potable de 0.02 a 0.023, y para agua residual de 0.0192 a 0.023 también. o 2005, Se analizaron los efectos de soporte sobre la capacidad hidráulica de sistemas de alcantarillado, se uso una tubería NOVALOC de 24” y se obtuvo resultados como la disminución del N de M anning para caudales bajos, y para caudales altos una menos significativa disminución de este coeficiente.. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 3.

(7) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. 4 MARCO TEÒRICO. 4.1 Hidráulica de tuberías Para el diseño de redes de distribución de agua potable, es indispensable contar con herramientas que permitan calcular las pérdidas de energía esperadas a lo largo de la red. Las pérdidas de energía se producen principalmente por: pérdidas por fricción entre el fluido y el material de la tubería (debido a que en flujos a presión las fuerzas predominantes son las inerciales y las viscosas), y pérdidas menores que ocurren en cada uno de los accesorios de la red (como codos, uniones, expansiones, contracciones entre otras).. 4.1.1 Formula de Manning Esta es una de las ecuaciones mas usadas para canales con flujo uniforme, Robert M anning ingeniero jefe de la oficina de obras publicas de Irlanda, presento dos formulas en el año de 1890 en su articulo “Sobre el flujo de aguas en canales abiertos y tuberías” de las cuales una era la “formula de M anning”, esta proveniente de varias pruebas realizadas en base a valor C en la formula de Chézy en la que el autor se daba cuenta que habían variaciones 1 alrededor del termino R h 6 , y otros pensaban que el factor de proporcionalidad del n de M anning era muy similar al de la formula de Kutter pero el coeficiente de rugosidad usado anterior era complicado e inexacto, siendo Gauckler el primero en proponer el unos del coeficiente de 2 en el termino del radio hidráulico fue hasta que M anning corroboró y 3 publicó lo expuesto por su predecesor en el uso de este factor. En el Sistema internacional (SI) la formula se dio a conocer a nivel mundial como: V (m s ) =. 1 23 12 R S n h o −1. Y las dimensiones del factor de fricción n estaban dadas en TL 3 , y las variables: V = Velocidad R h = Radio Hidráulico S o = Pendiente n = N de M anning (FINNEM ORE & FRANZINI, 2002, P. 411) Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 4.

(8) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. Propiedades Geométricas de Tuberías Circulares Parcialmente Llenas.. x. d θ. Yn α. Figura 4.1Tubería Parcialmente Llena. El Angulo θ en radianes es igual a,. θ = π + 2α Y α se obtiene de, ⎛ ⎞ x ⎟ ⎜ α = arcsen⎜ ⎜ d ⎟⎟ ⎝ 2⎠ X se calcula geométricamente como aparece en la grafica, x = Yn −. d 2. Y reemplazando las formulas anteriores se pueden obtener relaciones geométricas como: Relación ángulo- profundidad ⎡ (2Yn − d ) ⎤ ⎥ d ⎦ ⎣. θ = π + 2arcsen ⎢ Área. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 5.

(9) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. A(Yn ) =. ICIV 200620 05. 1 (θ − Sen θ )d 2 8. Perímetro Mojado 1 P (Yn ) = θd 2 Radio Hidráulico Rh =. 1 (θ − senθ )d θ 16. Ancho Superficial T (Yn ) =. 1 senθ .d 2 (SALDARRIAGA, 2005). 4.1.2 Flujo Gradualmente Variado “Se caracteriza por pequeños cambios relativos en las distribuciones de velocidad y presión a lo largo de largas distancias (por ejemplo, un canal largo)” (CHANSON, 2002, p. XXVII). Q 2 1 ∂A ∂y Q 2 T ∂y 1 ∂ ⎡ Q 2 ⎤ Q2 ∂ ⎡ 1 ⎤ 2 ∂y = =− = − = − F ⎢ ⎥ r ⎢ ⎥ A ∂x ⎣ gA ⎦ A ∂x ⎣ gA ⎦ gA A 2 ∂y ∂x ∂x gA 3 ∂x Para calcular el flujo gradualmente variado se realiza unas supocisiones importantes y es que para realizar los cálculos del flujo gradualmente variado (FGV) para flujos subcríticos se supone un flujo no uniforme, un flujo permanente y que el flujo es gradualmente variado, seguido a esto se dice que en una seccion dada la resistencia al flujo es la misma que en el flujo permanente para la misma profundidad y el mismo caudal, sin importar las tendencias de la profundidad. Para esta última suposición se asume que se pueden utilizar las ecuaciones de Darcy, Chézy o Gauckler-M anning para estimar la resistencia al flujo, a pesar que estas ecuaciones en su forma original se desarrollaron solo para flujos uniformes de equilibrio. (CHANSON, 2002, p. 123).. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 6.

(10) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. 4.2 Aspectos Básicos del Polietileno Alta Densidad (ADS) M aterial sólido y rígido compuesto de un termoplástico comercial semicristalino blanquecino en un 80%, semiopaco con alta resistencia a agentes químicos. Posee resistencia a impacto alta y se mantiene en perfectas condiciones en temperaturas bajas. Entre sus propiedades físicas mecánicas, térmicas y químicas se encuentran:. Tabla 4.1 Propiedades Físicas de Polietileno de Alta Densidad. Tabla 4.2 Propiedades Mecánicas de Polietileno de Alta Densidad. Tabla 4.3 Propiedades Térmicas de Polietileno de Alta Densidad. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 7.

(11) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. Tabla 4.4 Resistencia Química de Polietileno de Alta Densidad. 4.3 Aspectos Básicos de las Aguas Residuales 4.3.1 Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales Son cualquier tipo de instalaciones las cuales recolectan toda el agua residual antes de llegar a los cuerpos de agua. o Alcantarillado separado: es un sistema que consta de de un alcantarillado para aguas residuales y otro de aguas lluvias que son recolectadas en una misma área. o Alcantarillado combinado: es un sistema basado en una red de tuberías la cual recoge y conduce aguas residuales y lluvias. Es importante saber que para el uso de cualquiera de estos dos sistemas se tiene que analizar la región o el área donde van a ser instalados, contar con su topografía del terreno, que tan eficiente es el sistema en esa zona y algo importante en países como Colombia la disponibilidad económica que tiene la población para la instalación de cualquiera de los dos sistemas. Ya que por mayor economía el sistema combinado es el mejor, pero en eficiencia para tratamiento de aguas el separado da mejores condiciones ambientales.. 4.3.2 Contribución de Aguas Residuales El volumen de aguas residuales aportadas a un sistema de recolección y evacuación está integrado por las aguas residuales domésticas, industriales, comerciales e institucionales. Su estimación debe basarse, en lo posible, en información histórica de consumos, mediciones periódicas y evaluaciones regulares. Para su estimación deben tenerse en cuenta las siguientes consideraciones.. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 8.

(12) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. 4.3.2.1 Domésticas Es la cantidad de agua que proviene por consumidores de agua para servicio domestico que proviene de viviendas las cuales son en la mayoría biodegradables, también incluye materia orgánica, nutrientes y organismos patógenos. 4.3.2.2 Industriales El consumo de agua industrial varía de acuerdo con el tipo y tamaño de la industria, los aportes de aguas residuales varían con el grado de recirculación de aguas y los procesos de tratamiento. Debe controlarse la naturaleza de los residuos industriales, y su aceptación al sistema de alcantarillado. Estos residuos son en su mayoría elementos tóxicos como plomo, níquel, cobre, mercurio, etc. 4.3.2.3 Comercial El consumo de agua de las diferentes instituciones varía de acuerdo con el tipo y tamaño de las mismas, dentro de las cuales pueden mencionarse escuelas, colegios y universidades, hospitales, hoteles, cárceles, etc. 4.3.2.4 Lluvias Por causa del lavado que genera las precipitaciones pluviales sobre calles, tejados y otros estos tienden a tener gran cantidad de sólidos suspendidos. (Reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico (RAS), Sección II, Titulo D, p. 401). 4.3.3 Ventajas de Tratamiento de Aguas Residuales dentro del Alcantarillado Actualmente se están diseñando los alcantarillados y sus sistemas para que las aguas residuales tengan un pretratamiento antes de llegar a los cuerpos de agua, los diseños de las tuberías que transportas estos diseños están tendiendo a ser corrugados con materiales que aportan a las condiciones necesarias para generar una autolimpieza, recordando que en Colombia la velocidad de diseño para los alcantarillados es de 0.6m/s hay que tener en cuenta esto en los diseños. Los materiales ahora trabajados como en el caso de esta investigación el ADS proporciona propiedades a la tubería, primero como se demostrara mas adelante la facilidad que tienen las biopelículas como microorganismos que aportan a la limpieza del agua residual dentro de la tubería en crecer dentro de esta tubería, su material y diseño corrugado le brindan las mejores condiciones para lograrlo.. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 9.

(13) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. El aumento de perdidas por energía que genera una turbulencia del agua dentro de la tubería es el objetivo final de estas tuberías, ahí que tener en cuenta que estas al realizar todo el proceso de limpieza expulsan unos gases tóxicos a los cuales las tuberías tienen que ser resistentes, en el caso de la tubería ADS cumple con esta condiciones como se vio en el Capitulo 4.2 donde se especifica la resistencia química del material.. 4.4 Procesos dentro del Alcantarillado 4.4.1 Que es un Alcantarillado Sistema encargado de la recolección, conducción y disposición final de las aguas residuales o aguas lluvias.. 4.4.2 Proceso Aerobio El proceso aerobio se caracteriza porque la descomposición de la materia orgánica se lleva a cabo en una masa de agua que contiene oxígeno disuelto. En este proceso, en el que participan bacterias aerobias o facultativas, se originan compuestos inorgánicos que sirven de nutrientes a las algas, las cuales a su vez producen más oxígeno que facilita la actividad de las bacterias aerobias. Existe pues una simbiosis entre bacteria y algas que facilita la estabilización aerobia de la materia orgánica. El desdoblamiento de la materia orgánica se lleva a cabo con intervención de enzimas producidas por las bacterias en sus procesos vitales. A través de estos procesos bioquímicos en presencia de oxígeno disuelto las bacterias logran el desdoblamiento aerobio de la materia orgánica. El oxígeno consumido es parte de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO). Las algas logran, a través de procesos inversos a los anteriores, en presencia de la luz solar, utilizar los compuestos inorgánicos para sintetizar materia orgánica que incorporan a su protoplasma. A través de este proceso, conocido como fotosíntesis, las algas generan gran cantidad de oxígeno disuelto. Como resultado final, en el estrado aerobio de una laguna facultativa se lleva a cabo la estabilización de la materia orgánica putrescible (muerta) originalmente presente en las aguas residuales, la cual se transforma en materia orgánica (viva) incorporada protoplasma de las algas.. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 10.

(14) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. En las lagunas de estabilización el agua residual no se clarifica como en las plantas de tratamiento convencional pero se estabiliza, pues las algas son materia orgánica viva que no ejerce DBO.1. 4.4.3 Proceso Anaerobio Las reacciones anaerobias son más lentas y los productos de las pueden originar malos olores. Las condiciones anaerobias se establecen cuando el consumo de oxígeno disuelto es mayor que la incorporación del mismo a la masa de agua por la fotosíntesis de las algas y el oxígeno disuelto y que la laguna se torne de color gris oscuro. El desdoblamiento de la materia orgánica sucede en una forma más lenta y se generan malos olores por la producción de sulfuro de hidrógeno. En la etapa final del proceso anaerobio se presentan las cinéticas conocidas como 2 acetogénica y metanogénica.. 4.5 Biopelícula. Figura 4.2 Formación de Biopelícula3. 4.5.1 Definición Las biopelículas son organizaciones microbianas compuestas por microorganismos que se adhieren a las superficies gracias a la secreción de un exopolímero. Estas conformaciones. 1. http://www.estrucplan.com.ar, Definición Proceso Aerobio. http://www.estrucplan.com.ar, Definición Proceso Anaerobio 3 Imagen extraída de: biology.binghamton.edu/davies/images/biofilm.jpg Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS 2. 11.

(15) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. microbianas presentan características como heterogeneidad, diversidad de microambientes, resistencia a antimicrobianos y capacidad de comunicación intercelular que las convierten en complejos difíciles de erradicar de los ambientes donde se establecen. En el área industrial y del medio ambiente el papel de las biopelículas se centra en el biofouling y la bioremediación. El biofouling es la contaminación de un sistema producido por la actividad microbiana de la biopelícula, mientras que la bioremediación utiliza las biopelículas para mejorar las condiciones de un sistema contaminado como el utilizado en esta investigación en el que se busca analizar en un periodo de tiempo la evolución de esta en un medio corrugado proporcionando lodos sintéticos que son los que proporcionan las bacterias generadoras de biopelículas. Su estudio es muy importante párale diseño de tuberías ya que estas se adhieren al medio dándole otras características en su comportamiento. Para el diseño de tuberías en alcantarillados con aguas residuales representa de gran importancia el estudio de la evolución de las biopelículas ya que puede tener repercusiones importantes en el área de la industria de tuberías de alcantarillado. Para describir las biopelículas se han utilizado términos como “La unión hace la fuerza”, ya que en un medio de soporte estos seres microscópicos han evolucionado de tal forma que logran organizarse y convivir con especies diferentes, aprovechando los productos que se ofrecen dentro demedio en el que habitan, siendo este un medio corrugado en un sistema de alcantarillado para aguas residuales en el que encuentran todos los nutrientes y alimentos necesarios para sobrevivir y crecer dentro de su comunidad ecológica. En muchas formas la biopelícula representa una estrategia de supervivencia, pues proporciona una protección contra las defensas y mecanismos de erradicación microbiana y cuenta con un sistema de canales que le permite establecer un vínculo con el medio externo para hacer intercambio de nutrientes y eliminar metabolitos de desecho.. 4.5.2 Inicio de Estudios La importancia de las biopelículas se comenzó a estudiar desde mediados de la década de 1970, cuando se hablaba de los efectos en los diversos ambientes naturales de estas organizaciones no muy bien comprendidas. Dos décadas después con el desarrollo de técnicas microscópicas más avanzadas que permitieron entender la ultraestructura y dinámica de estas asociaciones, se pudo constatar este hecho y se comenzaron a involucrar en múltiples y distintos eventos que tienen impacto sobre el bienestar del hombre y su entorno. Hoy en día el estudio de la biopelículas se hace cada vez más extenso y complejo en cada una de las áreas donde se trabaja, es por eso que en este articulo se muestra cual puede ser la importancia de las biopelículas para el ser humano, y cual es el papel fundamental que cumplen estas en un sistema de alcantarillado diseñado para aguas residuales.. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 12.

(16) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. 4.5.3 Características de las Biopelículas El término biopelícula (biofilm) hace referencia a una serie de microorganismos que se encuentran agregados en un exopolímero compuesto de glicocálix (75%) y que se organizan en forma de colonias adheridas a diferentes superficies, ya sean blandas, animadas e inanimadas. El exopolímero que es producido por los mismos microorganismos, forma una matriz adherente en donde estos quedan atrapados y comienzan a organizarse en colonias con diferentes requerimientos metabólicos. Una de estas características es la heterogeneidad, lo que las hace organizaciones únicas que pueden estar conformadas por bacterias, hongos y protozoos. Se ha visto entonces, que los microorganismos al ser variados dentro de esta organización presentan diferentes microambientes de pH, tensión de oxígeno, concentración de iones, carbono y nitrógeno. La hidrodinámica juega un papel importante en el desarrollo de la biopelícula pues estas organizaciones se desarrollan en una interfase líquido-sólido donde la velocidad del flujo que lo atraviesa influye en el desprendimiento físico de los microorganismos. Además, poseen un sistema de canales que les permiten el transporte de nutrientes y desechos; esto resulta de vital importancia cuando se piensa en modificar el ambiente que prive a los microorganismos de las moléculas necesarias para su desarrollo. Otra característica de las biopelículas es su resistencia a las defensas del hospedero y agentes antimicrobianos. M ientras que los microorganismos aislados son susceptibles a estos factores de control, las colonias organizadas e incluidas en el exopolímero forman una capa impermeable en donde sólo los microorganismos más superficiales se ven afectados. Los anticuerpos, las células del sistema inmune y los antimicrobianos no tienen acceso a los microorganismos más profundos; adicionalmente, se encuentran en un estado metabólico reducido lo que los hace menos susceptible a la acción de estos últimos. También cuando se liberan células de la biopelícula, éstas pueden viajar y depositarse en nuevos nichos de colonización manteniendo las mismas características de una biopelícula adherida a una superficie. Finalmente, los microorganismos se comunican unos con otros. Esto es lo que se ha denominado quorum sensing e involucra la regulación y expresión de genes específicos a través de moléculas de señalización que median la comunicación intercelular. Esta característica es dependiente de la densidad celular que exista, así p.e., en biopelículas con una alta densidad celular, se induce la expresión de genes de resistencia que proveen protección y supervivencia. Similarmente, los microorganismos pueden producir sustancias para estimular la propagación de colonias e inhibir el crecimiento de otras dejando a los microorganismos más patógenos en una posición favorable dentro de la biopelícula. El conocimiento de la interacción que existe entre los diferentes microorganismos que componen y habitan una biopelícula, es un área muy estudiada por el momento pues in vitro se ha visto que al bloquear las moléculas involucradas en la adherencia y comunicación celular se puede inhibir el desarrollo de ellas.. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 13.

(17) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. 4.5.4 Bioremediación de aguas residuales. Las aguas residuales domésticas e industriales son ricas en materiales orgánicos y deben ser tratadas en alguna forma antes de devolverlos al ambiente. Los procesos para el tratamiento de las aguas residuales son prácticamente sistemas de cultivo microbiano a gran escala que utilizan biopelículas en los cuales las sustancias orgánicas de los desechos se degradan a dióxido de carbono, gas metano y otros nutrientes inorgánicos. El agua residual se trata dentro del fondo de un tanque donde se pone en contacto con lodos o agregados de biopelículas unidos a partículas muy pequeñas. La degradación anaeróbica de los sustratos orgánicos ocurre en el lecho del lodo y allí mismo se genera gas metano como uno de los productos finales; este gas tiene una utilidad valiosa porque puede ser recolectado por un sistema de tuberías para generar energía. Además, en muchos países como Colombia el residuo sólido del lodo que consiste en material no digerible y células bacterianas, se 4 elimina periódicamente y se seca para ser utilizado como abono para la tierra.. 4.6 Efecto Hidráulico de la Biopelícula sobre la Tuberías Conociendo el comportamiento que tiene la biopelícula en cualquier medio donde se pueda reproducir sabemos, que esta genera cambios en su ambiente, ya que en el caso de una tubería reduce el diámetro de la superficie interna y mas importante que eso cambia la resistencia a la fricción de esta contra el agua lo que genera o mayores o menores perdidas de energía a lo largo de la tubería lo que puede convertir a este en una ayuda para el pretratamiento de aguas residuales. En el caso de esta investigación en la que tenemos una tubería corrugada con anillos protuberantes a lo largo de la tubería, es un medio especial en el que la biopelícula tiene a crecer mas rápidamente ya que como vemos en la figura a continuación, esto es a lo que tendera la biopelícula a realizar teniendo en cuenta que las partes bajas del anillo el esfuerzo cortante es menor lo que hace que el espesor aumente con mas libertad que en la parte alta del anillo.. 4. Extraído de. Enciclopedia Wikipedia, http://es.wikipedia.org/wiki/Biopel%C3%ADcula. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 14.

(18) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. Figura 4.3 Formación de Biopelícula dentro de Tubería Corrugada. Por este facto es que se reducen parámetros como la rugosidad, la seccion transversal de la tubería, cambios en la viscosidad del fluido esto debido a las macromoléculas que la biopelícula tiene a soltar en su proceso de formación y crecimiento, se aumenta la disipación del fluido dentro de la tubería esto debido a la presencia de la biopelícula. A medida que la biopelícula crece en las paredes de la tubería esta tiene una directa influencia en la rugosidad y fricción ya que el agua no trabaja con estos parámetros para el M aterial ADS sino que trabaja directamente con la biopelícula, el material ADS lo que facilita es el crecimiento de esta, contando además con las ventajas de autolimpieza y remoción de materias orgánicas que tienen estas. Cabe mencionar que parte de esta remoción de materia orgánica que genera la biopelícula sobre el agua residual se detecta en el laboratorio, describiéndolo mas detalladamente, antes de extraer una muestra en un día con temperatura ambiente, el lugar donde se extraen las muestras (interior de tubería) no se perciben olores fuertes aparte del flujo que circula, en el momento en el que se toma una muestra el olor se vuelve mas fuerte, lo que indica la capacidad de absorción de materia orgánica que tienen las biopelículas.. 4.7 Efecto Hidráulico de los Medios de Soporte para la Formación de Biopelículas Como se menciono en el capitulo anterior la tubería corrugada de ADS ayuda al crecimiento de la biopelícula en gran porcentaje, ya que esta se adhiere con facilidad, eso se comprobó visualmente en el laboratorio ya que en el momento de tomar una muestra para analizar en el laboratorio, el área de la que se extraía esta quedaba limpia en parte, sin presencia de biopelícula, y a los 15 días al realizar la siguiente toma de muestras en esta área ya tenia una capa considerable de biopelícula sabiendo que no tenia nada días antes. Por eso se considera que este material beneficia a la biopelícula ya que es un medio adecuado para el crecimiento de esta. Teniendo el material de la tubería una alta rugosidad lo cual es beneficioso para la biopelícula se puede afirmar que el espesor de esta va a ser después de unos días de circulación va a influir en el decaimiento del coeficiente de M anning, ya que se presentaran condiciones diferentes a las originales, refiriéndose a la conducción inicial de agua potable, y luego a la de agua residual.. 4.8 Parámetros de Control de Calidad de agua 4.8.1 Demanda Química de Oxígeno (DQO) Este es un parámetro que mide la contaminación en un liquido expresándose este en mg O2 litro , este mide la cantidad de materia orgánica susceptible de ser oxidada por medios Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de 15 Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS.

(19) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. químicos que hay en una muestra liquida. Para le análisis de cantidad de materia orgánica en la muestra se usa el métodos de oxidabilidad con permanganato potásico. 4.8.1.1 Proceso en Laboratorio Se extrae la muestra de agua de la tubería de agua residual, a esta se le agrega acido sulfúrico como catalizador y dicromato de potasio como oxidante de la muestra, luego esta se coloca en aparato que la calienta durante 2 horas a 148 ºC, después se evalúa la cantidad del dicromato sin reaccionar titulando con una disolución de hierro (II). El DQO se calcula calculando la diferencia entre el dicromato de potasio inicial y el dicromato entronerado después de la oxidación. 4.8.1.2 Comparación con Demanda Biológica de Oxigeno (DBO) El valor que se obtiene en el laboratorio de DQO es mayor que el obtenido usando el método DBO, debido a que se oxidan las sustancias no biodegradables en el primero.. 4.8.2 pH El pH a sido utilizado a nivel mundial por su facilidad de uso, el pH típicamente va de 0 a 14 en disoluciones acuosas, siendo acidas las disoluciones con pH menores a 7, y básicas las que tienen ph mayores a 7. El pH igual a 7 indica neutralidad de la disolución. Este se puede definir como el logaritmo decimal del ion hidrógeno con signo negativo. pH = − Log[H ]+. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 16.

(20) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. 5 METODOLOGIA 5.1 Modelo Hidráulico El propósito de este modelo es ayudarnos a identificar que tanto varia la capacidad hidráulica de una tubería ADS bajo la influencia de biopelículas, para esto se requiere manejar conceptos básicos en hidráulica como flujo gradualmente variado (FGV), leyes de fricción, ecuaciones de continuidad y energía que colaboraran para el desarrollo de este. Ahora se necesita calibrar el coeficiente del N de M anning para encontrar su óptimo por medio de métodos como el paso directo y el método de Runge-Kutta.. 5.1.1 Modelo Matemático Para la determinación del coeficiente de M anning en una tubería ADS se busca calibrarlo por medio de un modelo hidráulico el cual será mencionado a continuación, este parámetro explica la disipación en el flujo de canales abiertos. 5.1.1.1 Ecuación de Continuidad Este es uno de los conceptos básicos que se maneja en hidráulica para la modelación del flujo en canales abiertos, esta menciona cuanta masa debe moverse en un tiempo determinado por longitud dada y su ecuación es:. ∂Q ∂A + =0 ∂ t ∂x Donde, Q = Caudal A = Área M ojada ∂Q = 0 ya que no se consideran variaciones de caudal ni de profundidad ∂t en el tiempo, entonces tenemos que:. Asumiendo que. AiVi = Ai +1Vi +1 Donde, Ai = Área M ojada en el tramo i. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 17.

(21) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. Vi = Velocidad media de flujo en el tramo i 5.1.1.2 Ecuación de Cantidad de Movimiento Según la segunda ley de Newton es una igualdad de cantidad de movimiento del fluido dentro de la tubería y su ecuación es, 1 ∂ ⎡Q2 ⎤ ∂y = (S o − S f ) g − ⎢ ⎥ A ∂x ⎣ A ⎦ ∂x A = Área M ojada V = Velocidad M edia de Flujo Y = Profundidad de la Lámina S o = Pendiente del Canal S f = Pendiente de Fricción 5.1.1.3 Ecuación de Energía Para la conservación de energía tenemos para tramos consecutivos, Vi 2+1 Vi 2 − = (S o − S f ) ∆ x − (Yi +1 − Yi ) 2g 2g Vi = Velocidad media de flujo en el tramo i Yi = Profundidad de la Lámina S o = Pendiente del Canal S f = Pendiente de Fricción 5.1.1.4 Ecuación de FGV De la ecuación de cantidad de movimiento se obtiene la siguiente ecuación, Q 2 1 ∂A ∂y Q 2 T ∂y ∂y 1 ∂ ⎡ Q 2 ⎤ Q2 ∂ ⎡ 1 ⎤ = = − = − = − Fr 2 ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ 2 3 A ∂x ⎣ gA ⎦ A ∂x ⎣ gA ⎦ gA A ∂y ∂x ∂x gA ∂x Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 18.

(22) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. La cual relaciona la profundidad de flujo con el número de Froude y despejando obtenemos,. ∂y ∂x. ∂y S o − S f = ∂x 1− Fr 2 Donde, Fr = Número de Froude S o = Pendiente del Canal S f = Pendiente de Fricción Para este proyecto se busca manejar un flujo supercrítico a lo largo de la tubería. 5.1.1.5 Leyes de Fricción M anejando el parámetro S f que corresponde a la fricción dentro de la tubería, se puede calcular mediante 2 métodos.. 5.1.1.5.1 Ecuación de Manning V=. 1 2/ 3 1/ 2 R S n. Que al despejar S f queda de la forma, V2 S f = n 4 /3 R 2. 5.1.1.5.2 Ecuación de Darcy-Weisbach 1 V2 Sf = f 4R 2g. o. V2 Sf =C R. 5.1.2 Modelo Físico Se manejo una tubería de polietileno de alta densidad (ADS) con superficie poco rugosa, a lo largo de la tubería tiene anillos a distancias iguales que le dan una apariencia corrugada a la tubería. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 19.

(23) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. Figura 5.1 Vista Frontal de tubería ADS. 5.1.2.1 Descripción del modelo. Figura 5.2 Montaje General de Tubería ADS Agua Residual. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 20.

(24) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. Consta de un tramo de tubería de ADS de aproximadamente 6 metros de largo, con diámetro externo de 643,6 milímetros y diámetro interno de 600 milímetros; además incluye: o Circuito cerrado de flujo, constituido por dos tanques, uno de almacenamiento y otro de cabeza hidráulica para el almacenamiento temporal para la conducción del agua residual y una motobomba. o Cercha M etálica como soporte de la tubería. o Tablero de lectura de piezómetros. o Nivel de precisión para la lectura de la pendiente. o Gato hidráulico para la modificación de las pendientes. o Neumático para sellar la salida de la tubería del tanque aguas arriba. o Pantalla de aquietamiento aguas abajo. o Lodos espesados necesarios como inoculo para el crecimiento de las bacterias. o M elaza como alimento para las bacterias y nutrientes como: fósforo, nitrógeno y otros minerales. Se perforaron 59 orificios a distancias determinada vista en el anexo 1. En estos orificios se conectaron mangueras transparente de 4,7mm de diámetro que se conectaron hasta el tablero de lectura de piezómetros, y de los cuales se obtienen los datos para cada prueba.. Tanque Aguas Abajo. Tanque Elevado. Figura 5.3 Montaje Físico. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 21.

(25) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. Los dos tanques de mampostería fueron parte del circuito cerrado de flujo, el tanque aguas abajo de almacenamiento, tiene aproximadamente 4.35mx1.53m y dentro de este se encuentra un pozo de succión con un área de 2.92mx1.53m. Ahora para el tanque elevado para el almacenamiento temporal y la conducción del agua residual a la tubería tiene un área de 1mx1.15m. Figura 5.4 Fuente Eléctrica para Bomba. Figura 5.5 Bomba de 12 HP. Esta bomba estaba sujetada a un tubo de diámetro 4” el cual cumplía con la función de succión e impulsión del agua desde el tanque de succión hasta el tanque elevado.. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 22.

(26) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. Figura 5.6 Tablero de lectura de piezómetros. De este Tablero se tomaron todas las medidas a lo largo e la investigación.. Neumático. Cercha M etálica. Gato Hidráulico Figura 5.7 Vista Lateral de Montaje Físico. Se ve en la Figura 5.7 la estructura de soporte basado en una cerca metálica empotrada al tanque elevado y sostenido en el otro extremo por un gato hidráulico el cual nos ayudaba a cambiar las pendientes.. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 23.

(27) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. Piezómetros. Figura 5.8 Piezómetros conectados a la tubería. Figura 5.9 Vertedero Triangular. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 24.

(28) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. Figura 5.10 Pantalla de aquietamiento aguas abajo.. Figura 5.11 Nivel para medir caudales. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 25.

(29) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. 5.1.3 Materiales y recomendaciones para la preparación y mantenimiento del agua sintética residual Para poder iniciar con las pruebas, se necesita contar con los siguientes materiales para lograr el crecimiento de la biopelícula en la tubería de ADS: o galones de lodo espesados como inoculo (materia orgánica). o 1 kilos de melaza (alimento para las bacterias). o. de kilo de nutrientes (elementos inorgánicos) para el mantenimiento de la biopelícula durante el período de toma de medidas. 1. 4. Estos materiales se colocaron al agua quincenalmente para la manutención del agua residual sintética, y para ayudar al crecimiento de las biopelículas, es importante realizarlo cíclicamente hasta que se acabe el proyecto. Es importante anotar que la falta de estos puede causar efectos negativos en el crecimiento de la biopelícula como el desprendimiento o muerte de esos microorganismos. Los lodos espesados fueron extraídos de la Planta de Tratamiento de A gua Residual Salitre, quienes muy amablemente me suministraron de estos.. Figura 5.12 Extracción de Lodos Espesados. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 26.

(30) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. 5.1.4 Plan General para Desarrollo de Investigación 5.1.4.1 FASE 1 Esta fase tuvo un período de 4 semanas, en la que se inicio la toma de datos para diferentes pendientes y caudales. Cabe aclarar claro esta con condiciones en la que el agua utilizada es potable. La recirculación en esta fase no es de mayor importancia ya que nos interesa el crecimiento de ningún microorganismo. La toma de datos se realizará de la siguiente manera: se hará un cambio de pendiente por semana, se probara una pendiente distinta cada semana. Se realizarán 3 pruebas por semana en días diferentes, cada una con 10 caudales para un total de 60 datos por pendiente. 5.1.4.2 FASE 2 La primera fase tendrá un período de 2 semanas en los que se mantendrá una recirculación de 8 horas diarias, en el primer día de pruebas se adicionaran las siguientes cantidades de los materiales mencionados: se aplicara un garrafón de lodo, 1 kilo de melaza y 1 4 de kilo de nutrientes. Una semana después se le aplicaran las mismas cantidades que en el primer día de pruebas, esto con el fin de crear un mejor ambiente para el crecimiento de la biopelícula. 5.1.4.3 FASE 3 Esta fase tendrá un período de 10 semanas, en la que se iniciará la toma de datos para diferentes pendientes y caudales. Quincenalmente se aplicara 1 garrafón de lodo y quincenalmente se aplicaran aproximadamente 1 4 de kilo de nutrientes y 1 kilo de melaza. Al mismo tiempo se mantendrá una recirculación diaria del agua de 6 horas. La toma de datos se realizará de la siguiente manera: se hará un cambio de pendiente cada 12 días, se probara una pendiente distinta. Se realizarán 3 pruebas por semana en días diferentes, cada una con 10 caudales para un total de 60 datos por pendiente. Este proceso durara 10 semanas.. 5.2 Descripción de las Mediciones Para obtener los resultados óptimos para el cálculo del coeficiente de M anning en las pruebas, primordialmente se siguieron las instrucciones mencionadas en el Capitulo 5.4.1, con pendientes suaves, empinadas y horizontal variables entre 0% y 0.84% para mantenernos en el rango en el que se mantiene un flujo gradualmente variado y bajo la condición de autolimpieza de alcantarillado de 0.6m/s y un flujo subcrítico.. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 27.

(31) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. Se usaron 59 piezómetros lo cuales nos indicaban el perfil del flujo a lo largo de la tubería, estos piezómetros tiene que ser purgados (Realización de limpieza dentro de ellos para evitar taponamiento) periódicamente para evitar datos erróneos en las pruebas. También se omitieron los 5 primeros piezómetros ya que por turbulencia estos tendían a dar valores que afectaban el perfil experimental. Para cada pendiente manejada se usaban caudales bajos y altos para ver el comportamiento del coeficiente de M anning para cada caso, ya que se espera que para caudales bajos el N de M anning sea mayor y viceversa. Cada prueba daba como resultado 10 perfiles experimentales y estos eran simulados en computador bajo el método de paso directo y Runge-Kutta los cuales por medio de iteraciones buscaban un perfil teórico y el N de M anning óptimo.. 5.2.1 Medición de Caudales Se calibro el vertedero triangular usado obteniendo la formula: Q = 0.0205( H − H o ) 2 .3198 Q = Caudal H = Profundidad de Lamina de Agua H o = 28cm Cero de Limnímetro. 5.2.2 Medición de Pendiente Para el cálculo posterior de las pendientes se uso la ecuación sencilla, So =. H 2 − H1 De acuerdo a la siguiente figura, L. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 28.

(32) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. Figura 5.13 Esquema Para Determinación de Pendiente. 5.2.3 Medición de la Profundidad del Flujo Dado que la lectura de piezómetros en el tablero nos indica la profundidad del flujo en cada punto y teniendo 59 piezómetros a lo largo de la tubería y teniendo en cuenta las cotas de la tubería y el tablero, también los diámetro interiores y exteriores de la tubería podemos encontrar exactamente la profundidad del flujo para cualquier caudal. Esto se realiza con el siguiente procedimiento:. La profundidad de lamina de agua se calcula en primera instancia con, Yi = Pi − Z i Yi = Profundidad de Piezómetro i Pi = Profundidad en M etros de Agua para le Piezómetro i Z i = Cota Fondo de la Tubería en el Piezómetro i Las cotas de fondo de la tubería para el piezómetro i se calculan con la siguiente formula, Z i+1 = Z i + ∆ xi ,i+1. So 1 + So. Donde, Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 29.

(33) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. S o = Pendiente del Canal ∆x i,i +1 = Distancia entre Piezómetros i e i+1 Z i = Cota Fondo de la Tubería en el Piezómetro i. Figura 5.14 Esquema Para Determinación de Profundidad de Fuljo. Y Z i se calcula de esta manera según la Figura 5.11,. Z i = Z tablero + [(Z tubería1 − Z tubería2 ) − (D − h )] Donde, Z i = Cota Fondo de la Tubería en el Piezómetro i Z tablero = Cero del Tablero Z tubería1 = Cero de la Tubería en el Punto 1 Z tuberia 2 = Cero de la Tubería en el Punto 3 D = Diámetro de la Tubería Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 30.

(34) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. h = Espesor de la Tubería. 5.2.4 Mediciones de la Biopelícula Básicamente se midió densidad de biopelícula mediante la determinación de su masa y volumen por medio de una probeta de laboratorio, el procedimiento era el siguiente: o Se extraían los dos M uestreadores de la tubería.. M uestreador 1. M uestreador 2. Figura 5.15 Lugar de donde se Extrajeron los Muestreadores. Figura 5.16 Muestreador 1 (izq.), Muestreador 2 (der.). o Estos eran debidamente pesados en un peso digital. o Luego se extraían muestras de dentro de la tubería para no quitarle masa de biopelícula a los muestreadores.. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 31.

(35) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. Figura 5.17 Lugar de Extracción para Análisis de Densidad. o Se pesa una probeta con un volumen de agua determinado (se obtiene Peso Inicial, y Volumen Inicial de agua) o Se extrae una muestra de biopelícula para ponerla dentro de la probeta.. Figura 5.18 Muestra de Biopelícula. o Se pesa una probeta con un volumen de agua determinado + muestra biopelícula (se obtiene Peso Final, y Volumen Final de agua). Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 32.

(36) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. Figura 5.19 Probeta con un volumen de agua determinado + muestra biopelícula. o Se determina la densidad por medio de la siguiente formula,. ρ=. M biopelícula Vbiopelícula. o Para determinar el incremento de la biopelícula a lo largo de los días de recirculación se usa la siguiente formula,. ∆ peso =. ( M 1 − M o ) + (M 2 − M o ) 2. ∆ peso = Incremento de Peso. 5.3 Determinación del Coeficiente de Manning Después de satisfacer todos los cálculos propuestos en el Capitulo 5.2 y obteniendo el valor de cada una de los variables, se pede decir se tienen todos los ingredientes para determinar el N de M anning óptimo. Siguiendo el siguiente algoritmo usted podrá determinar el N de M anning óptimo para una prueba en campo. o Prender bomba de 12 HP y esperar hasta que el caudal se estabilice. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 33.

(37) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. o Instalar teodolito en un lugar donde todos los puntos de referencia sean visibles, y tomar 4 medidas: o H tablero (cero del tablero) o H tubería (cero de la tubería) o H 1 (M edida para pendiente No. 1) o H 2 (M edida para pendiente No. 2) o Hay que cerciorarse que el teodolito este horizontal en todos los puntos. o Se determina la pendiente por medio del método expuesto en el Capitulo 5.2.2. o Se fija un caudal, sea este el inicial cuando se prendió la bomba, o modificado por el usuario. o Esperar a que el caudal se estabilice y medir el Limnímetro para la determinación del valor de caudal. o Prueba de Pendiente vs. Caudal o Tomar medidas en el tablero de piezómetros para establecer un perfil experimental. o Por el método de Runge-Kutta se calcula el perfil teórico teniendo los datos de entrada calculados en los pasos anteriores. o Evaluar parámetros como el ECM , R² entre el perfil teórico y experimental. o Se escoge el N de M anning óptimo calculado por estas correlaciones. o Se toman 10 caudales en total, los anteriores pasos es solo para un caudal, en caso de no haber llegado al 10 volver al paso VII. o En caso de haber terminado lo 10 caudales, se dice que la prueba esta lista.. 5.3.1 Indicadores de Ajuste 5.3.1.1 Error Cuadrático Medio (ECM) Es una media calculada entre dos variables la experimental con la teórica, su formula es equivalente a,. ECM n =. (. 1 P Yi − Yˆi ∑ P i =1. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. ). 2. 34.

(38) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. Donde,. Yi = Profundidad Experimental en el Piezómetro i en la prueba n Ŷi = Profundidad Teórica en el Piezómetro i en la prueba n P = Numero de Piezómetros usados en la prueba n 5.3.1.2 Eficiencia Es el porcentaje de explicación del parámetro sobre datos observados la cual es una versión normalizada del ECM y esta determinada por,. (Yi − Yˆi ) ∑ i 1 P. R 2 =1 −. 2. =. ∑1 (Yi − Y *i ) P. 2. i=. Yi = Profundidad Experimental en el Piezómetro i en la prueba n Ŷi = Profundidad Teórica en el Piezómetro i en la prueba n Yi* = Profundidad Promedio de los Datos Experimentales en la prueba n P = Numero de Piezómetros usados en la prueba n Para calibrar los resultados de se usa el siguiente termino, MáxR 2 [Mín(ECM )]. 5.3.2 Procedimiento para la Calibración Para poder completar la calibración se necesitan estas variables: o Datos experimentales de los piezómetros convertidos en profundidades medias. o Datos de medición de pendiente o Datos de medición de caudal Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 35.

(39) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. o Determinar la profundidad crítica o Determinar la profundidad normal o Se recurre a las relaciones geométricas mencionadas en el Capitulo 4.1.2 y se calculan todas las variables allí expuestas.. 5.3.3 Método Usado para la Solución de FGV 5.3.3.1 Método de Runge-Kutta Desarrollando una integración numérica a la ecuación de FGV de cantidad de movimiento mencionada en el Capitulo 5.1.1.2 se utilizo para la calibración de pruebas con pendientes positivas como las usadas en esta tesis. Este método consiste principalmente en la solución de un perfil experimental dado mediante un esquema explicito en diferencias finitas para la ecuación de FGV, usando esta metodología Runge-Kutta se reducen los errores de precisión en la aproximación numérica. De forma que la ecuación que se aplica sobre lo perfiles es la siguiente, Yi +1 = Yi +. 1 [ f + 2 f 2 + 2 f 3 + f 4 ]∆x i,i+1 6 1. Donde, Yi = Y critico f 1 = F (Y1 ) f 2 = F (Yi + f 1∆x i,i +1 ) f 3 = F (Yi + f 2 ∆x i,i +1 ) f 4 = F (Yi + f 3 ∆x i,i +1 ) Y tenemos que, F (Y ) =. So − S f a − F2. Donde,. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 36.

(40) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. Sf = n. Vi 2 4. Ri. 3. , Vi =. ICIV 200620 05. Q A A V , Ri = i , F = , D= Ai Pi l gD. Estos parámetros se calculan según el Capitulo 4.1.2.. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 37.

(41) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. 6 RESULTADOS Y ANÁLISIS A continuación se mostraran todos los análisis realizados para identificar las variaciones e implicaciones que tiene las formaciones de biopelículas sobre una tubería de ADS, el proceso de toma de datos fue de 3 meses en los que se realizaron 40 pruebas para un total de 400 caudales manejados a lo largo del tiempo con variaciones en las pendientes periódicamente, se manejaron básicamente 6 pendientes en total. En cada prueba se analizaron 10 diferentes caudales los que ilustra la relación Caudal vs. N de M anning, (Capitulo 6.2) estos resultados dan a conocer los cambios en el comportamiento hidráulico en la tubería. Se manejaron caudales para cualquiera de las pruebas entre 1,5 LPS y 20 LPS, y pendientes entre 0% y 0,84%. Como base de comparación se usaron constantemente los datos obtenidos con agua potable, para así ver claramente el efecto directo que tienen las biopelículas sobre la tubería. Se tomaron 10 pruebas para un total de 100 caudales suficientes para determinar el comportamiento del N de M anning en la tubería libre de lodos sintéticos.. 6.1 Pendientes Usadas. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 38.

(42) Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Cátedra P AVCO. ICIV 200620 05. Tabla 6.1 Pendientes usadas. 6.2 N de Manning vs. Pendiente Teóricamente se supone que no importa le cambio de pendiente en la tubería el N de M anning no variara así este tenga agua potable o residual. A continuación veremos el comportamiento del N de M anning comparado con la pendiente para agua potable: N de Manning vs. Pendiente (T uberia Agua Potable). N de Manning. 0,072 0,07 0,068 0,066 0,064 0,062 0,06. Q (7 a 9 LPS) Q (9a 11 LPS) Q (11 a 13 LPS) Q (13 a 15 LPS) Q (15 a 17 LPS). 0,058 0,00% 0,10% 0,20% 0,30% 0,40% 0,50% 0,60% 0,70% 0,80% 0,90% 1,00%. Q (17 a 19 LPS) Q (19 a 21 LPS). Pendiente. Figura 6.1 Variación del N de Manning vs. Pendiente, Tubería Agua Potable Sin Biopelícula. Como se ve esta relación en la tubería de agua potable, el N de M anning no represento ningún cambio drástico a lo largo de todas la pruebas, fue algo casi uniforme con pequeñas diferencias entre los valores. Ahora para agua residual el N de M anning varía un poco pero no esta por fuera de un rango fuera de lo normal, su variación no es mayor de 0.004 lo que indica que la relación se comporta similarmente en parte a la Figura 6.1 para agua potable. Cabe aclarar que se escogieron los coeficientes de N de M anning óptimos, con ECM cercano a 1.. Efectos de Biopelículas sobre la Capacidad Hidráulica de Sistemas de Alcantarillado con Tuberías ADS. 39.