Efecto hidráulico de las biopelículas en tuberías de agua potable

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(1)Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL. MAGÍSTER EN INGENIERÍA CIVIL ÁREA DE AMBIENTAL. TRABAJO DE GRADO. EFECTO HIDRÁULICO DE LAS BIOPELÍCULAS EN TUBERÍAS DE AGUA POTABLE. RUBÉN MAURICIO LATORRE SÁNCHEZ. ASESOR: JUAN GUILLERMO SALDARRIAGA. INFORME FINAL. BOGOTA D.C. FEBRERO DE 2005. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 1.

(2) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. AGRADECIMIENTOS A Juan Guillermo Saldarriaga por su asesoría, enseñanza y consejos durante el desarrollo de esta tesis. A PAVCO por financiar la construcción de este modelo para llevar a cabo este proyecto. A la Universidad de Los Andes y al CITEC por usar sus instalaciones. A todo el personal del CIACUA por su tiempo y dedicatoria, en especial a Mario.. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 2.

(3) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN. .................................................................................................. 1 2. OBJETIVOS............................................................................................................ 10 2.1 2.2. OBJETIVO GENERAL........................................................................................ 10 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................... 10. 3. ALCANCE ............................................................................................................... 11 3.1 3.2. ALCANCE TESIS 1............................................................................................. 11 ALCANCE TESIS 2............................................................................................. 11. 4. ANTECEDENTES ................................................................................................ 12 5. MARCO TEÓRICO BIOPELÍCULAS......................................................... 13 5.1 DESARROLLO POTENCIAL DE BIOPELÍCULAS EN SISTEMAS DE DIST RIBUCIÓN DE AGUA P OTABLE ........................................................................ 13 5.1.1 Utilización de Carbón Orgánico Asimilado en sistemas de distribución de agua potable ................................................................................................................. 14 5.1.2 Formación de biopelículas ........................................................................... 15 5.1.2.1 Rango de valores............................................................................... 15 5.1.2.2 Relación entre absorción de AOC y la formación de biopelículas. .............................................................................................................. 15 5.1.2.3 Formación potencial de biopelículas en los materiales ............... 16 5.2 RELACIÓN ENTRE LA FORMACIÓN DE BIOPELÍCULAS Y EL MATERIAL DE LA TUBERÍA....................................................................................... 16 5.2.1 Comparación entre la formación de biopelículas entre tuberías de hierro, MDPE, uPVC................................................................................................................ 19 5.3 DESARROLLO Y ESTRUCTURA DE LAS BIOPELÍCULAS Y TÉCNICAS PARA SU ESTUDIO. ...................................................................................................... 19 5.3.1 Técnicas de medición de biopelículas. ......................................................... 21 5.3.1.1 Cadenas de ácidos nucleicos e indicadores fisiológicos fluorescentes .. 22 5.3.1.2 Anticuerpos Fluorescentes ....................................................................... 23 5.3.1.3 Otras actividades de medición ................................................................. 24 5.3.2 Factores que controlan la formación de biopelículas en tuberías de agua potable ...................................................................................................................... 26 5.3.3 Estructura de las biopelículas de agua potable ........................................... 29 5.3.3.1 Morfología general............................................................................. 29. 6. MODELO FÍSICO ................................................................................................ 31 6.1 DISEÑO................................................................................................................ 31 6.1.1 MODELO FÍSICO DE RECIRCULACIÓN.................................................. 31 6.1.2 TUBERÍAS EN PARALELO ......................................................................... 33 6.1.3 TANQUES DE ALMACENAMIENTO Y RECIRCULACIÓN....................... 35. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 3.

(4) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. 6.1.4 MOTOBOMBA ............................................................................................. 37 6.1.4.1 Cálculo de la cabeza mínima requerida por la bomba................. 37 6.1.5 VÁLVULAS ................................................................................................... 38 6.1.6 TABLERO DE PIEZÓMETROS ................................................................... 39 6.1.7 DISPOSITIVOS INTERNOS PARA LA MEDICIÓN DE BIOPELÍCULA ... 40 6.2 CONST RUCCIÓN ............................................................................................... 41 6.2.1 PRESUPUESTO DE OBRA.......................................................................... 41 6.2.2 CRONOLOGÍA DEL MODELO FÍSICO..................................................... 41 6.3 PERÍODO DE P RUEBA ...................................................................................... 42 6.3.1 CONSTRUCTIVO......................................................................................... 42 6.3.2 CALIBRACIÓN DEL MODELO................................................................... 43 6.3.2.1 Reconocimiento del caudal real de recirculación ......................... 43 6.3.2.2 Válvula de compuerta........................................................................ 45 6.4 METODOLOGÍA DE MEDICIÓN DE PARÁMETROS ................................... 46 6.4.1 PROCEDIMIENTO GENERAL .................................................................... 46 6.4.2 NUTRIENTES............................................................................................... 47 METODOLOGÍA ESPECÍFICA....................................................................... 48 6.4.3 PROCEDIMIENTO DE CÁLCULOS ................................................................ 50 6.4.4 6.4.4.1 DATOS................................................................................................. 50 6.4.4.2 Cálculo del coeficiente de rugosidad absoluta ks......................... 50 6.4.4.3 Coeficiente de determinación R2 .................................................... 51 6.4.4.3.1 Varianza Residual ............................................................................... 52 6.4.4.3.2 Varianza debida a la Regresión .......................................................... 52 6.4.4.4 Filtrado de los coeficientes calculados........................................... 53 6.4.4.4.1 Coeficiente de Determinación R² ....................................................... 53 6.4.4.4.2 Valores frontera del espectro factible de ks........................................ 54. 7. RESULTADOS ....................................................................................................... 55 7.1 DETERMINACIÓN DE LA RUGOSIDAD ABSOLUTA ................................. 55 7.2 RESULTADOS OBTENIDOS............................................................................. 55 TUBERÍA DE MDPE....................................................................................... 56 7.2.1 7.2.1.1 FASE I.................................................................................................. 56 7.2.1.2 FASE II................................................................................................. 58 7.2.1.3 FASE III ............................................................................................... 60 7.2.1.4 AGREGACIÓN DE RESULTADOS ................................................ 62 7.2.1.5 HIDRÁULICA DEL SISTEMA........................................................... 65 TUBERÍA DE PVC .......................................................................................... 66 7.2.2 7.2.2.1 FASE I.................................................................................................. 67 7.2.2.2 FASE II................................................................................................. 69 7.2.2.3 FASE III ............................................................................................... 71 7.2.2.4 AGREGACIÓN DE RESULTADOS ................................................ 73 7.2.2.5 HIDRÁULICA DEL SISTEMA........................................................... 76 TUBERÍA DE HIERRO.................................................................................... 77 7.2.3 7.2.3.1 FASE I.................................................................................................. 78. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 4.

(5) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. 7.2.3.2 FASE II................................................................................................. 81 7.2.3.3 FASE III ............................................................................................... 83 7.2.3.4 AGREGACIÓN DE RESULTADOS ................................................ 84 7.2.3.5 HIDRÁULICA DEL SISTEMA........................................................... 87 7.2.4 COMPARACIÓN DE RESULTADOS OBTENIDOS DE LAS FASES I, II Y III ...................................................................................................................... 88 7.2.5 EVOLUCIÓN DEL COEFICIENTE DE RUGOSIDAD ABSOLUTA RESPECTO A LA FORMACIÓN DE BIOPELÍCULA................................................. 91. 8. CONCLUS IONES ...................................................................................................... 96 8.1 BIOPELÍCULAS EN LOS SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE ........................................................................................................................ 96 8.2 HIDRÁULICA DEL SISTEMA Y PARÁMETROS AFINES............................ 98. 9. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................. 100 ÍNDICE DE TABLA Tabla 1 Cronograma de las actividades previas de la construcción del modelo.....41 Tabla 2 Cronograma del período de construcción .......................................................41 Tabla 3 Cronograma del período de pruebas ...............................................................42 Tabla 4 Calibración de la válvula reguladora del sistema...........................................45 Tabla 5 Densidad de las biopelículas en los testigos instalados...............................92 Tabla 6 Evolución del coeficiente de rugosidad absoluta respecto a la formación de biopelícula para tubería de MDPE ..........................................................................93 Tabla 7 Evolución del coeficiente de rugosidad absoluta respecto a la formación de biopelícula para tubería de PVC..............................................................................94. ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 Celda Bacteriana (Biopelícula).........................................................................17 Figura 2 Tubería de Hierro con Corrosión (producto de biopelícula)........................18 Figura 3 Estructura química de la Tiamina....................................................................25 Figura 4 Distribución de las tuberías..............................................................................31 Figura 5 Tubería de Alimentación ...................................................................................32 Figura 6 Laberintos del tanque 2, sitio de medición de caudal con piezómetros....33 Figura 7 Tubería de hierro de 4 plg de 4 m de longitud condón a PVC....................34 Figura 8 Tubería de MDPE de 4 “ introducida en una tubería NOVALOC de 8”.....34 Figura 9 Unión platino Z y válvula de 6 pulgadas de extremo liso ............................35 Figura 10 Esquema general del modelo físico..............................................................35 Figura 11 Tanque 1, donde descarga la tubería de alimentación..............................36 Figura 12 Tanque 2, sitio donde la bomba succiona para descargar por la tubería de alimentación de 4 “...............................................................................................36. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 5.

(6) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. Figura 13 Motobomba usada para recirculación...........................................................38 Figura 14 Válvulas usadas en el sistema de tuberías en paralelo ............................38 Figura 15 Vista de los niveles del tablero ......................................................................39 Figura 16 Dispositivos internos........................................................................................40 Figura 17 Fotografías de la forma de instalación de dispositivos internos...............40 Figura 18 Vertederos de 60º............................................................................................43. ÍNDICE DE ECUACIONES Ecuación 1 Disminución de la concentración de AOC en una tubería......................14 Ecuación 2 Concentración de AOC a una distancia determinada.............................15 Ecuación 3. Producción de bacterias aerobias consumidoras de nitrógeno y potasio.........................................................................................................................48 Ecuación 4 Ecuación de Colebrook-White combinada con la ecuación de DarcyWeisbach.....................................................................................................................50 Ecuación 5 Coeficiente de determinación R²................................................................51 Ecuación 6 Varianza residual...........................................................................................52 Ecuación 7 Varianza debida a la regresión ...................................................................52 Ecuación 8...........................................................................................................................53. ÍNDICE DE GRÁFICAS Gráfica 1 Calibración del vertedero de la tubería de PVC ..........................................44 Gráfica 2 Calibración del vertedero de la tubería de PE.............................................44 Gráfica 3 Calibración del vertedero de la tubería de Hierro........................................44 Gráfica 4 Calibración de la válvula de regulación del sistema...................................45 Gráfica 5 Procedimiento general de la prueba y lectura del sistema........................49 Gráfica 6 Resultados obtenidos en la Fase I para MDPE...........................................57 Gráfica 7 Se muestra la variación del Coeficiente de Rugosidad Absoluta con el tiempo junto con su valor de R² óptimo para la FASE I para MDPE .................58 Gráfica 8 Resultados obtenidos en la Fase II para MDPE.........................................59 Gráfica 9 Se muestra la variación del Coeficiente de Rugosidad Absoluta con el tiempo junto con su valor de R² óptimo para la FASE II para MDPE................60 Gráfica 10 Resultados obtenidos en la Fase III para MDPE ......................................61 Gráfica 11 Se muestra la variación del Coeficiente de Rugosidad Absoluta con el tiempo junto con su valor de R² óptimo para la FASE III.....................................62 Gráfica 12 Variación temporal del coeficiente de rugosidad ks en tubería de MDPE del proceso de agregación final...............................................................................63 Gráfica 13 Variación temporal del factor de fricción y la rugosidad relativa de la tubería MDPE luego del proceso de agregación final..........................................64 Gráfica 14 Curva de rugosidades relativas obtenidos semanalmente en la tubería de MDPE .....................................................................................................................64. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 6.

(7) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. Gráfica 15 Disminución de pérdidas del sistema con aumento de los días de recirculación ( R)........................................................................................................66 Gráfica 16 Resultados obtenidos en la Fase I para PVC ............................................68 Gráfica 17 Se muestra la variación del Coeficiente de Rugosidad Absoluta con el tiempo junto con su valor de R² óptimo para la FASE I PVC .............................69 Gráfica 18 Resultados obtenidos en la Fase II para PVC ...........................................70 Gráfica 19 Se muestra la variación del Coeficiente de Rugosidad Absoluta con el tiempo junto con su valor de R² óptimo para la FASE II para PVC ...................71 Gráfica 20 Resultados obtenidos en la Fase III para PVC..........................................72 Gráfica 21 Se muestra la variación del Coeficiente de Rugosidad Absoluta con el tiempo junto con su valor de R² óptimo para la FASE III.....................................73 Gráfica 22 Variación temporal del coeficiente de rugosidad ks para PVC del proceso de agregación final .....................................................................................74 Gráfica 23 Variación temporal del factor de fricción y la rugosidad relativa de la tubería de PVC luego del proceso de agregación final .......................................75 Gráfica 24 Curva de rugosidades relativas obtenidos semanalmente en la tubería de PVC.........................................................................................................................75 Gráfica 25 Disminución de pérdidas del sistema con aumento de los días de recirculación ( R)........................................................................................................77 Gráfica 26 Resultados obtenidos en la Fase I para Hierro .........................................79 Gráfica 27 Se muestra la variación del Coeficiente de Rugosidad Absoluta con el tiempo junto con su valor de R² óptimo para la FASE I para Hierro..................80 Gráfica 28 Resultados obtenidos en la Fase II para Hierro........................................81 Gráfica 29 Se muestra la variación del Coeficiente de Rugosidad Absoluta con el tiempo junto con su valor de R² óptimo para la FASE II para Hierro.................82 Gráfica 30 Resultados obtenidos en la Fase III para Hierro.......................................83 Gráfica 31 Se muestra la variación del Coeficiente de Rugosidad Absoluta con el tiempo junto con su valor de R² óptimo para la FASE III para Hierro ...............84 Gráfica 32 Variación temporal del coeficiente de rugosidad ks de la tubería Hierro del proceso de agregación final...............................................................................85 Gráfica 33 Variación temporal del factor de fricción y la rugosidad relativa de tubería de Hierro luego del proceso de agregación final.....................................86 Gráfica 34 Curva de rugosidades relativas obtenidos semanalmente en la tubería de Hierro......................................................................................................................87 Gráfica 35 Disminución de pérdidas del sistema con aumento de los días de recirculación ( R)........................................................................................................88 Gráfica 36 Comparación de resultados de las tres tuberías para la Fase I.............89 Gráfica 37 Comparación de resultados de las tres tuberías para la Fase II............90 Gráfica 38 Comparación de resultados de las tres tuberías para la Fase III...........90 Gráfica 39 Crecimiento de la biopelícula en los testigos de MDPE ..........................94 Gráfica 40 Crecimiento de las biopelículas en los testigos de PVC..........................95. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 7.

(8) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. 1. INTRODUCCIÓN. Las tuberías a presión que sirven como redes de distribución de aguas a nivel urbano cumplen con condiciones de diseño que se fundamentan en uno de los parámetros más importantes: la rugosidad absoluta (Ks), aquel que define las propiedades del material que se imponen sobre el flujo. La rugosidad de diseño, ks, es aquella hallada en estudios generales donde no se tiene en cuenta el proceso biológico que sufre el agua durante el transporte, se evalúa el material más no se restringe a las características biológicas propias del fluido que se transportará.. A través de los años se ha pensado que el proceso del agua en las plantas de tratamiento de agua potable (PTAP) era suficiente para que la calidad del agua en todo el trayecto de la distribución no se viera afectada. Sin embargo, existen fallas en estos sistemas viéndose reflejadas en la salubridad de las comunidades, debido a infecciones y enfermedades que se transmiten en el agua. La calidad del agua se ve afectada por la formación de biopelículas en la superficie de las tuberías, incluyendo además problemas como corrosión o taponamiento de ductos como resultado de los procesos bioquímicos realizados en el interior de las biopelículas, generando cambios en las características del agua, brotes de enfermedades y cambios hidráulicos por la nueva rugosidad del material. Las biopelículas presentes en las paredes de las tuberías de sistemas de distribución están compuestas de bacterias incrustadas en una matrizformada por residuos de los microorganismos, partículas de sedimentos y múltiples sustancias, la cual induce la demanda de cloro, el crecimiento continuo de la misma, corrosión de la tubería y problemas de sabor y olor en el agua.. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 8.

(9) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. Ningún método de desinfección en las PTAP elimina del agua el 100% de los microorganismos y tampoco suprime por completo las sustancias orgánicas y demás materiales que ayudan al crecimiento de la biopelículas. Por lo tanto, las tuberías de distribución de agua potable son un sitio adecuado para el desarrollo de dichas biopelículas, porque ofrecen espacios aptos para adherirse y crecer debido a la temperatura del agua dentro de las tuberías y a las bajas concentraciones de desinfectante en ciertos puntos de la red.. Este tema ha generado una gran curiosidad por ser inexplorado; es necesario vincular a todas las empresas del servicio de acueducto, profesores y estudiantes, con los últimos descubrimientos y avances en el campo de la ingeniería, en especial aquellos que involucran de manera directa la seguridad de los usuarios.. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 9.

(10) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. 2. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL Estudiar el cambio de la rugosidad absoluta en diferentes tipos de tuberías por el crecimiento de las biopelículas en el interior de sus paredes y su consecuencia en el comportamiento hidráulico.. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS -. Dar a conocer el desarrollo y comportamiento de la biopelículas dentro de las tuberías de distribución, materiales de tuberías propensos a alojar biopelículas y de esta manera entender que ocurre dentro de las redes de distribución de agua potable una vez esta deja la planta de tratamiento.. -. Se buscará el conocimiento actual en Colombia y Mundial de este nuevo aspecto y las técnicas adoptadas para su control.. -. Llevar a cabo la construcción de un modelo que simule las condiciones óptimas de una red de distribución de agua, para encontrar la variación en función del tiempo del crecimiento de biopelículas.. -. Establecer los cambios en la eficiencia hidráulica de los sistemas de distribución de agua potable al utilizar diferentes tipos de tuberías como parte de su diseño.. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 10.

(11) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. 3. ALCANCE En la investigación se busca establecer la variación de la Rugosidad Absoluta (Ks) con la formación de biopelículas adherida a las paredes de las tuberías, evaluando el efecto hidráulico producido al utilizar las diferentes tuberías de distribución de agua potable. Mediante la metodología de calibración desarrollada, se va a determinar la evolución de la Rugosidad Absoluta con agua limpia y con biopelículas en varías tuberías de diferentes materiales.. No se pretende desarrollar un estudio sobre la influencia de la formación de biopelícula en la calidad del agua potable, debido principalmente a que el tramo de las tuberías de prueba es muy corto y no se lograría un adecuado tiempo de retención hidráulica que favorezca a la contaminación del agua potable por parte de las biopelículas. 3.1 ALCANCE TESIS 1 El alcance de la tesis 1 esta basado en la investigación del Estado del Arte de las Biopelículas en Tuberías de Distribución de Agua Potable en Colombia y a Nivel Mundial enfocado al cambio de los coeficientes de rugosidad, crecimiento y estudio de la biopelícula; así como el diseño del montaje de las estructuras para la medición del experimento.. 3.2 ALCANCE TESIS 2 Desarrollo del experimento de medición en las diferentes tuberías puestas en paralelas para la determinación de la rugosidad absoluta en los diferentes materiales utilizados.. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 11.

(12) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. 4. ANTECEDENTES La Universidad de los Andes con el apoyo de PAVCO, ha venido desarrollando una serie de investigaciones, dirigidas por el Ingeniero Juan Guillermo Saldarriaga, con el fin de determinar el efecto de la película biológica sobre el Ks de las tuberías de distribución de agua potable y de alcantarillado. Investigaciones en tuberías de distribución de agua potable: •. “Influencia Del Crecimiento De Biopelículas Sobre La Rugosidad Absoluta En. Tuberías Presurizadas” Echeverría M.A. 2002 •. “Biopelículas En Redes De Distribución De Agua Potable. Estado Del Arte”. Aray A.M 2002 Investigaciones en tuberías de alcantarillado: •. “Efecto de las películas biológicas sobre el n de Manning en tuberías de. alcantarillado” Unger M., Barriga M., Ceron, A. y Burgos R. 1995 - 1999 •. “Efecto Hidráulico De Estructuras De Soporte De Biopelículas En Tuberías De. Alcantarillado” Otero L.A. en el 2002.. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 12.

(13) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. 5. MARCO TEÓRICO BIOPELÍCULAS 5.1 DESARROLLO. POTENCIAL. DE. BIOPELÍCULAS. EN. SISTEMAS. DE. DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE Las compañías de distribución de agua potable están interesadas en la limitación de la generación microbiana en los sistemas de distribución de agua potable para prevenir una indeseable deterioración de la calidad del agua. La distribución de agua potable con un desinfectante residual, usualmente cloro, es comúnmente usado para prevenir la generación. Esta aproximación sin embargo tiene varias desventajas y limitaciones ya que es necesario el uso de grandes dosis para mantener una eficiencia en el desinfectante residual a lo largo de todo el sistema de distribución, las que incluyen: 1. Sabor y olor debido a la presencia de cloro (Bryan et al. 1973). 2. El uso de desinfectantes, los cuales pueden tener propiedades tóxicas (Rokk 1974; Bull y Kopfler 1991) 3. Adición de bacterias dentro de las superficies de las tuberías o partículas que proveen de resistencia los desinfectantes (LeChevallier et al. 1988). 4. Materiales. de las tuberías y componentes del agua reducen la. concentración de desinfectantes Otra forma de prevenir la regeneración es limitando la concentración de compuestos que sirven de substrato para microorganismos. Estos compuestos pueden estar presentes en las plantas de tratamiento o en los materiales que están en contacto con el agua potable. Varios métodos han sido desarrollados para evaluar el potencial de cada sistema de distribución par albergar microorganismos como el Test de Asimilación de Carbón Orgánico (AOC) (van der Kooij et al. 1982; van der Kooij 1990); Test de Crecimiento Potencial (Werner 1985), Test de Biodegradación de Carbón Orgánico Disuelto (BDOC) (Joel y Levy 1986), Test Rápido de BDOC (Ribas et al. 1991) y la Evaluación de Características en la Formación de Biopelículas (van der Kooij et al. 1993, 1995).. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 13.

(14) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. También se han desarrollado métodos para determinar la rata de regeneramiento en los diferentes materiales que están en contacto con el agua potable, como el Test BDOD (Colbourne y Brown 1979), Test de Producción de Limo (Deutscher verein des Gas- und Wasserfaches 1990) y el Test de Potencial Formación de Biopelículas (van der Kooij y Veenendaal 1994). El Test de Formación de Biopelículas evalúa la rata y extensión de formación de biopelículas en cilindros de vidrio expuestos en agua para ser monitoreados. El parámetro característico del Test es la Rata de Formación de Biopelículas (BFR) -2 -1 expresada en pg ATP cm d .. 5.1.1 Utilización de Carbón Orgánico Asimilado en sistemas de distribución de agua potable En Holanda la concentración de AOC esta ubicado en un rango de unos pocos g -1 acetato – C eq. L , en filtros lentos de arena hasta aproximadamente 60. g. acetato – C eq. L-1 en aguas superficiales con tratamiento de ozono (van der Kooij 1992). Muestras tomadas en diferentes sitios en el sistema de distribución demostró que la concentración de AOC disminuye a medida que se aleja de la planta de tratamiento. La reducción de concentración de AOC en los sistemas de distribución de agua potables es debido al crecimiento de biopelículas en las paredes de las tuberías. La disminución de de la concentración de AOC en sistemas de distribución pasando a través de una longitud de tuberías puede ser descrita por la siguiente ecuación: dAOC = −k (AOC A ) dL Ecuación 1 Disminución de la concentración de AOC en una tubería. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 14.

(15) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. Donde: dAOC = es la disminución de AOC a través de una longitud de tubería dL dL. AOCA = la diferencia entre la concentración de AOC de la planta de tratamiento y la concentración residual AOCR K = rata constante en función de la temperatura del agua, la composición de AOC, tiempo de residencia del agua en el segmento de la tubería y la superficie, por lo tanto k no es una constante y difiere de un sistema de distribución a otro.. De la Ecuación 1, la concentración de AOC a la distancia L puede ser descrita como: AOCL = AOCA . e −kL + AOC R Ecuación 2 Concentración de AOC a una distancia determinada. Donde: AOCL = Concentración de AOC ( g C.L-1) en una distancia L (km) 5.1.2 Formación de biopelículas 5.1.2.1. Rango de valores. Para determinar las características de la formación de las biopelículas en los sistemas de distribución de agua potable y evaluar la BFR, se ha usado un monitor de observación desarrollado por van der kooij y Veenendaal en 1993. Estos -2 -1 valores de BFR varían en un rango menor a 1pg ATP cm d donde son. observados en filtros lentos de arena hasta valores mayores de 100 pg ATP cm-2d1. encontrados en agua subterránea. Estos tipos de agua, con valores de AOC. -1 menores a 10 µg-C.L representan agua con un alto grado de bioestabilidad.. 5.1.2.2. Relación entre absorción de AOC y la formación de biopelículas. La densidad de la biopelícula es medida con adenosinatrifosfato (ATP), las principales razones para usar este parámetro son: 1. ATP sirve para medir actividad en la biomasa. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 15.

(16) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. 2. El análisis de ATP permite la detección de muy bajas cantidades de biomasa, y 3. El análisis toma unos pocos minutos.. Existe una relación entre la concentración de ATP y la concentración de acetato adicionado demostrando así que la concentración de AOC expresado en acetato – C eq. L. -1. g. y el crecimiento expresado en pg ATP L-1 esta muy. relacionadas una a otra. Un rango de valores de BFR en agua potable y en otros tipos de agua sugieren que estos valores están sobreestimados de la realidad probablemente por un factor de 10; ya que se ha usado el rendimiento de ATP logrado cuando el crecimiento es en forma exponencial. El desarrollo de la biopelícula inicialmente es una función exponencial del tiempo, seguido de una fase lineal cuando el transporte del substrato se esta acercando al límite. 5.1.2.3. Formación potencial de biopelículas en los materiales. Los materiales que se encuentran en contacto con el agua potable pueden contribuir significativamente en la formación de biopelículas cuando estos materiales liberan compuestos biodegradables. El test BFP1 permite determinar la formación potencial de la biopelícula en los materiales (van der Kooij y Veeneddaal 1994).. 5.2 RELACIÓN ENTRE LA FORMACIÓN DE BIOPELÍCULAS Y EL MATERIAL DE LA TUBERÍA. La formación de biopelículas en interfases sólido-líquido es común en ambientes oligotróficos donde en la fase agua hay pocos nutrientes (Fletcher y Marshall 1. Test basado en la medición de densidad de biopelículas en materiales incubados a 25ºC en agua potable bioestable en función del. tiempo. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 16.

(17) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. 1982). El substrato tiende acumular nutrientes que ayuden al crecimiento de microorganismos como biopelículas (Geesey et al. 1978). Una biopelícula en estos ambientes consisten en microcolonias o celdas de bacterias en una matriz de polímeros e intercomunicados por canales de agua. (Costerton et al. 1994; Wimpenny y Colasanti 1997).. Figura 1 Celda Bacteriana (Biopelícula). El sistema de distribución de agua potable provee un ambiente oligotrófico y el crecimiento de las biopelículas en la superficie de las tuberías produce un efecto adverso en la calidad del agua. Las celdas adjuntas pueden representar un gran porcentaje de biomasa en el sistema de distribución (LeChevallier et al. 1988) y puede contribuir a una contaminación del agua cuando esta se desprenda (Olson y Nagy 1984), causando una gran variedad de problemas para las empresas prestadoras de este servicio, como una futura inmunidad al desinfectante. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 17.

(18) Efecto hidráulico de las biopelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. (LeChevallier et al. 1988), olor y sabor (Olson y Nagy 1984; LeChevallier et al. 1987) y corrosión en tuberías (LeChevallier et al. 1993).. El control de biopelículas en sistemas de distribución debe ser un método integrado combinando diferentes tipos como un cambio de régimen en la dosis de desinfectante (LeChevallier et al 1990), reducción de cantidad de materia orgánica (van der Kooij et al. 1995) o un cambio de material en las tuberías.. Nuevos materiales plásticos, como el PVC y polietileno de densidad media (MDPE), están reemplazando tuberías de edad avanzada en sistemas de distribución. Estudios con tuberías de hierro, MDPE y uPVC muestran que el hierro soporta una mayor población de heterótrofos que las demás (Holden et al. 1995; Vees et al. 1993). Figura 2 Tubería de Hierro con Corrosión (producto de biopelícula). Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 18.

(19) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. 5.2.1Comparación entre la formación de biopelículas entre tuberías de hierro, MDPE, uPVC. La acumulación de biopelículas esta definido como adición de bacteria en la superficie del material y su crecimiento. El número de células heterotróficas, que representan entre el 5% - 8% por celda de la comunidad de la biopelícula, se incrementan más lentamente en uPVC y MDPE que tuberías de hierro; y en el estado estable las dos tuberías de material plástico soportan un pequeño grupo de población en comparación que en una de hierro. En experimentos realizados, en modelos a escala y en la vida real, duración un lapso de tiempo cercano a 42 semanas (10 meses), las poblaciones en estado estable logradas en los materiales de la tubería estaban de acuerdo con el tamaño de la población de heterótrofos encontrado por otros dispositivos in-situ que se usaron en un sistema de distribución (LeChevallier et al. 1987; Donlan y Pipes 1988; Pedersen 1990; Holden et al. 1995). Mientras hay acuerdo general en el tamaño de la población en estado estable, no hay mucho consenso en el tiempo que toma en llegar ya que está en función de varias variables (concentración de nutrientes y desinfectante, temperatura, pH, etc).. 5.3 DESARROLLO Y ESTRUCTURA DE LAS BIOPELÍCULAS Y TÉCNICAS PARA SU ESTUDIO. El sistema de distribución de agua potable puede parecer ser un ambiente hostil para el crecimiento microbial ya que las bajas concentraciones de nutrientes, como el carbón orgánico, la presencia de desinfectantes, temperaturas bajas ylos diferentes regimenes de flujo no parecen ser los adecuados para la proliferación bacterial. Las biopelículas se desarrollan en las superficies de las paredes de las tuberías y en los sedimentos, estos últimos son más probables en reservorios o. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 19.

(20) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. tanques de almacenamiento, mientras que el crecimiento en las paredes de las tuberías predomina en los sistemas de distribución. En ambos casos, las bacterias se adjuntan a las superficies y se produce las biopelículas.. La colonización de organismos como Actinomycetes u hongos, la bacteria de hierro, patógenos, etc puede resultar en problemas de olor y sabor (Burman 1965, 1973: Olson 1982), corrosión en los materiales de las tuberías de distribución de agua potable (Lee et al 1980), donde hay un potencial de regeneramiento para los coliformes y población heterotrófica o una potencial nitrificación en los sistemas que usan cloraminas como desinfectantes (Wolfe et al. 1990), así como infecciones o enfermedades gastroenteritis (Agencia de protección Ambiental de los Estados Unidos EPA 1992). Los nutrientes tienden adsorberse a las superficies, haciendo más aptos estos 2 sitios para que los microorganismos se adjuntes en celdas (Fletcher y Marshall. 1982), mostrando ser un factor en la resistencia (protección) de la desinfección (LeChevallier et al. 1988). Las celdas que se han adicionado pueden servir como un reservorio para evitar un lavado a través el sistema, y así prevenir el desprendimiento de la biopelícula causado por cambio en nutrientes, desinfectante o la hidrodinámica.. Las biopelículas en las paredes de las tuberías y sedimentos son rara vez examinados en una valoración microbiana en un sistema de distribución. Para evitar el crecimiento de la biopelícula se esta buscando hacer interferencia entre la presencia de la biopelícula y su actividad, suspendiendo así la información entre las celdas.. 2. Grupo de bacterias en una la superficie. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 20.

(21) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. Para determinar adecuadamente la potencial relación causa-efecto entre el ambiente y el crecimiento de las biopelículas bajo condiciones de bajo nutrientes, es necesario usar un sistema de experimental bajo condiciones de variables controladas. Sistemas a escala real pueden ser estudiados, pero hay múltiples causas que no permiten tener una respuesta adecuada (dificultad de muestras, preservación, mediciones in-situ, etc). Sin embargo, es necesario usar un modelo físico que simula el proceso de distribución. 5.3.1 Técnicas de medición de biopelículas. Los métodos usados para estudiar y describir las biopelículas dependen de la información que se necesite. En muchos casos, los métodos más sencillos son los 3 más fiables como el plate counts . Para el investigador microbiólogo, es de gran. interés una descripción sofisticada de la ecología microbiana y la distribución espacial de las celdas en las biopelículas, así como una mayor información de los campos de biología molecular. Tradicionalmente, el ambiente bacteriano y biopelículas han sido estudiados por un método de cultivo o por microscopios. Ambas aproximaciones tienen sus limitaciones, como en el caso del método de cultivo que no estima la cantidad y diversidad del ambiente bacteriano. Mientras el microscopio detecta un número más grande de celdas que las cultivadas, las especies generalmente no pueden ser identificados bajo el microscopio basado solo en la morfología (Trebesius et al. 1994). Cada vez más, los microorganismos son descubiertos por el método llamado “métodos moleculares”; ya que no requiere del crecimiento de la bacteria en medios selectivos o no-selectivos y se puede hacer uso de ácidos nucleicos o proteínas.. 3. Método que consiste en el conteo de microorganismo en una lámina por medio de microscopio. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 21.

(22) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. La detección de celdas in-situ, especialmente en biopelículas, es esencial para determinar la distribución espacial de especies con la ayuda de una lista de herramientas moleculares que incluye: •. Ácido nucleico. •. Cadenas de proteína. •. Indicadores fisiológicos. •. Anticuerpos marcados. •. Amplificación del ácido nucleico. •. Sondas de ácidos nucleicos. •. Gel electrofóresis de ácidos nucleicos y proteína. Un acercamiento molecular para estudiar el plancton o bacterias del biopelículas incluiría métodos para el determinar su identidad, abundancia y el estado fisiológico en ensayos simples o paralelos. Se describe a continuación algunos de los métodos usados:. 5.3.1.1 Cadenas de ácidos nucleicos e indicadores fisiológicos fluorescentes. Las dos cadenas de ácido nucleico más usadas para obtener la información que se necesita de la muestra de las biopelículas son: acridine naranja (AO) y 4’,6’diamidino-2-phenylindole (DAPI). Ambas son cadenas de DNA; El AO también sirve para indicar actividad molecular basada en la observación de una cadena simple de RNA, ya que el AO se torna de color rojo/naranja fluorescente, mientras que con una doble cadena de DNA es de color verde fluorescente. La fluorescencia del AO depende de varias factores incluyendo procedimiento de fijación encadenamiento (Mcfeters et al. 1991). Las cadenas fisiológicas son también frecuentemente usadas en conjunto con cadenas de celdas totales para determinar la porción activa de una población. Yu and McFeters (1994) anunciaron que el 5-cyano-2,3-ditolyl tetrazolium chloride. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 22.

(23) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. (CTC) y la rodamina 123 (Rh 123) fueron indicadores efectivos de actividad metabólica de celda en biopelículas, pero Morin y Camper (1997) anunciaron una falta de sensibilidad con CTC en biopelículas que se encuentran en contacto con el cloro.. Cadenas de ácido nucleico e indicadores fisiológicos fluorescentes no identifican especies pero pueden ser usados en conjunto con anticuerpos específicos o sondas de ácidos nucleicos. Por ejemplo Hicks et al. (1992) combinó DAPI para el conteo total de celdas con una sonda especifica oligonucleotido marcado con tetramethyl rhodamina isoticyante (TRITC). Pyle et al. (1995) usó CTC y anticuerpos fluorescentes para Escherichia coli O157:H7 en un mismo ensayo para detectar celdas activas. Sin embargo hay una amplia variedad de otras propiedades de cadenas disponibles que pueden ser usados para evaluar la actividad bacteriana. Evaluar la información proveniente de la cadena, es importante para conocer el modo de actuar las celdas de biopelículas. En todos los casos, el método debe ser rigurosamente probado bajo condiciones del experimento para asegurar que los resultados obtenidos sean confiables. 5.3.1.2 Anticuerpos Fluorescentes. Un método potencialmente útil para la detección de especies de organismos es el uso de cadenas de inmunofluorescencia combinado con un microscopio directo. El uso de anticuerpos fluorescentes puede ser benéfico porque el método no requiere de celdas pre-cultivadas, además de la eliminación de problemas inherentes. en el crecimiento de un número pequeño de organismos. potencialmente fisiológicos. También se han aplicado anticuerpos fluorescentes con diferentes variantes en los sistemas del biopelículas para la identificación y determinación de específica de bacterias, ubicar la nitrificación en el espesor. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 23.

(24) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. (Szwerinski et al. 1985) y detección de Legionella pneumophila en una delgada muestra de población en una biopelícula (Rogers y Keevil 1992). Variaciones en métodos de cadenas de inmunofluorescencia están bajo desarrollo. Por ejemplo, Pyle et al. (1995) anuncio una combinación de un anticuerpo específico con la cadena CTC para detectar E. coli O157:H7. Alternativamente, el uso de un ensayo con una enzima inmunosorbente (ELISA) ha sido explorado para la detección de Kenterob acteriaceae en agua potable (Hubner et al. 1992). Se ha usado el método de anticuerpos fluorescentes para identificar organismos específicos en una población intacta y de mezcla dispersa de biopelículas. Sin embargo, el método fue desarrollado usando una población mixta de biopelícula (Stewart et al. 1997); los organismos importantes para ser descrito incluyen coliformes y patógenos de contacto acuático. 5.3.1.3 Otras actividades de m edición. Para determinar la actividad de células bacterianas en la ecología acuática, frecuentemente se usa la Tiamina, la cual es incorporada dentro del DNA de las células encargadas del crecimiento, estas células pueden ser detectadas usando un líquido scintillation u otro método de detección. Una desventaja de este método es que las células deben producir DNA. En ambientes oligotróficos, es posible que las células sean de actividad respiratoria, y no crecimiento; en esos casos la Tiamina no va estimar adecuadamente la actividad de la población. Una alternativa de la Tiamina es el uso de la Leucina, cuando las células son expuestas a este aminoácido en adecuadas concentraciones, es tomado yusado analíticamente para la producción de proteínas que no va a ser usado como fuente de energía. Para la evaluación de la actividad de la leucina en las células se usa la microautoradiográfia. Este método ha sido usado exitosamente para evaluar la actividad natural de la bacteria en sistemas acuáticos (Meyer-Reil 1978; Tabor y. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 24.

(25) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. Neihof 1982). Si en una biopelícula dispersada, las celdas son expuestas a una concentración conocida de leucina por un período determinado de tiempo, después la bacteria es entonces filtrada por unos poros de 0.2. en una. membrana de policarbonato. Las células retenidas son permeabilizadas ylavadas para remover cualquier isótopo no deseado. Los filtros son ubicados en un microscopio con emulsión fotográfica y son incubados en la oscuridad para producir granos plateados. Los filtros son removidos y las láminas son tratadas con DNA y cadenas DAPI. El microscopio para la detección de granos plateados y el microscopio de epifluorescencia para la detección de las cadenas DAPI en la superficie de las células son usados para cuantificar el número total de células así como la aproximación de bacterias en los granos plateados, los resultados son comparados para dar un porcentaje de células activas. El método puede ser usado también para muestras en biopelículas tomadas in-situ, en este caso, la biopelícula es incubada en la leucina, el exceso es lavado y la cubierta con emulsión fotográfica.. Figura 3 Estructura química de la Tiamina. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 25.

(26) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. 5.3.2 Factores que controlan la formación de biopelículas en tuberías de agua potable Las condiciones claves para la proliferación de biopelículas en la distribución de agua potables son: 1. Efectos de la temperatura, especialmente en agua caliente. 2. La cantidad de substrato. 3. Ineficiencias en la remoción o desinfección de organismos en el tratamiento. 4. La presencia de productos corrosivos en el sistema. 5. Tipo y dosis de desinfección. 6. Hidrodinámica en el sistema de distribución. La temperatura es considerada uno de los parámetros de control más importante para la acumulación de biopelículas (LeChevallier et al. 1990) influyendo en la rata de crecimiento, la fase de retraso y en las células (Fransolet et al. 1985). Block (1992) sugirió que si el número de células que ingresan en el sistema es reducido, la población de las biopelículas también disminuirá y se demostró que -1 con una concentración de cloro residual de 1 mg L es suficiente para eliminar la -1 biopelícula de las superficies de PVC y valores aproximados de 4 mg L para. hierro. (LeChevallier et al. 1990) Las variables más estudiadas en el desarrollo de biopelículas son las concentraciones de carbón como AOC o BDOC, tiempo de residencia hidráulica y desinfectante. Las concentraciones mínimas de carbón orgánico han sido fijados en 10 mg-C/L para heterótrofos (van der Kooij 1992) y 50 mg-C/L para coliformes (LeChevallier et al. 1991).. Se han notado disminuciones de AOC con la edad del agua (van der Wende et al. 1988) y un alto nivel de AOC son asociados a la regeneración heterotrófica. Sin. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 26.

(27) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. embargo, hay algunos casos en que no han sido aclaradas muy bien las relaciones entre AOC/BDOC y el desarrollo de las biopelículas. Experimentos pilotos muestran una débil correlación entre las concentraciones de AOC en los reactores (Camper 1996), ya que hay Información obtenida en estudios de campo en que en algunos sistemas de distribución con niveles de AOC menores a 100 mg/L experimentaron regeneramiento mientras otros con un valor promedio de 100 mg/L no mostraron regeneración (LeChevallier et al. 1996a).. Una razón por la cual los niveles de AOC pueden no estar directamente relacionados con la regeneración en los sistemas de distribución es que el crecimiento bacterial depende directamente de la concentración de desinfectante. Si las concentraciones de desinfectante y las de AOC son muy altas en la planta, la regeneración de organismos puede estar limitada hasta que el decaimiento del desinfectante sea la apropiada. Elevados niveles de cloro residual debe controlar la regeneración, pero frecuentemente no es el caso (Centers for Disease Control 1985, LeChevallier et al. 1987), ya que los organismos de las biopelículas son menos susceptibles a desinfectantes que organismos suspendidos en el agua, especialmente si hay presencia de reactivos en las superficies de hierro (LeChavellier et al. 1990: Chen et al. 1993). Otro problema relacionado a la regeneración y pérdida de desinfectante es la presencia no lineal de contenido de hierro en el material de tuberías en los sistemas. de distribución. Sistemas. muy viejos. contienen hierro dúctil. frecuentemente caracterizado por la acumulación de productos de corrosión que disminuyen el diámetro de la tubería. Superficies de hierro son particularmente reactivas y contribuyen a la deterioración de la calidad del agua a través de diferentes procesos. Se ha identificado que las superficies de hierro son un sitio adecuado para la colonización microbiana y han sido implicados como el componente clave en la regeneración. (Camper 1996; Camper et al. 1996: LeChevallier et al. 1993, 1996b). En Vancouver, Boston y Washington D.C. sean. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 27.

(28) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. ha presentado grandes problemas de corrosión en tuberías que ha llevado a la regeneración de coliformes, demostrando una relación entre el número de coliformes y las tuberías de metal (LeChevallier et al. 1996b).. Un sistema de distribución con diferentes materiales, el mayor crecimiento de microorganismos se producirá en superficies de metal ferroso donde son menos susceptibles al cloro (LeChavellier et al. 1987, 1990) presuntamente porque el metal ejerce demanda de cloro. Es también conocido que las reacciones en las superficies de metal ferroso son afectadas por los métodos de control de corrosión (ajuste de pH y adición de fosfato). En la Universidad del Estado de Montana en sus laboratorios se ha mostrado que el número de biopelículas está directamente relacionado con los productos de corrosión; la reducción en biopelículas y acumulación de productos de corrosión pueden lograrse con esquemas de control o alternado el desinfectante que produce menos corrosión. Dando un verdadero control al problema de corrosión el número de biopelículas se reduciría, evitando así el incremento de la dosis de desinfectante (LeChevallier et al.1993), como por ejemplo en un laboratorio realizado con un pH alto y un adecuado control de corrosión se redujo el conteo de bacterias evitando una alta dosis de desinfectante (Martin et al. 1982). Sin embargo, a un valor cercano a pH neutral, la presencia de bajos niveles de desinfectante incrementa la densidad de biopelículas en superficies de hierro dúctil o acero (Camper 1996).. Otra característica de reacción de los productos de corrosión en hierro (óxidos de hierro) es que poseen un gran potencial para la adsorción de materia orgánica (NOM; Parfitt et al. 1977; McCarthy et al. 1993; Zhou et al. 1994). Los depósitos en los sistemas de distribución han mostrado una variedad de óxidos de hierro como el manganeso, especies de carbonato y silicio (Robinson 1981; Carlson y. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 28.

(29) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. Schwertman 1987). Bajo condiciones abióticas, el material húmico4 es irreversiblemente sostenido en la superficie de óxidos de hierro (Gu et al. 1994. 1996). El material removido de los productos de corrosión es capaz de soportar el crecimiento bacterial sin la adición de carbón.. En un ausencia de desinfectante, las superficies de acero son constantemente colonizados por capas de heterótrofos y capas de coliformes. La superficie del acero es adecuada para el crecimiento de biopelículas ya que da protección contra la acción de los desinfectantes. (Camper et al. 1996) 5.3.3 Estructura de las biopelículas de agua potable 5.3.3.1 Morfología general La estructura de las biopelículas de los sistemas de distribución de agua potable es difícil de estudiar debido a la gran cantidad de detritos, productos de corrosión y otra materia inorgánica, limitando las técnicas que se pueden usar. Por ejemplo, el microscopio directo es rara vez usado por la autofluorescencia, inhabilidad de penetrar y el bloqueo de la luz por la materia inorgánica.. La desinfección tiene una influencia profunda en la estructura general de la población en la biopelícula. En reactores controlados, las celdas de las biopelículas están distribuidas en grupos y celdas simples a lo largo de toda la superficie. Inicialmente, la mayoría de la población esta presente en celdas simples que están en contacto directo con el substrato, En esta fase del desarrollo, la superficie tiene aproximadamente el 60% cubierto (Camper et al. 1996). Así como la edad de las biopelículas, el número de celdas por unidad de área no cambia, sin embargo el espesor incrementa.. 4. término general para el humus y ácido fulvico. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 29.

(30) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. Las biopelículas en contacto con el cloro son físicamente diferentes en apariencia, hay que las celdas tienden a mantenerse solo en grupos, mientras que organismos individuales desaparecen. En reactores controlados las biopelículas son mas desiguales y las celdas son aproximadamente 50% más pequeñas, existe también un cambio en la morfología de una forma alargada a una redondeada yen la colonia dominante. Cuando se compara el control de las biopelículas, la actividad en el sistema con cloro es mas bajo, pero la diferencia depende de las celdas usadas. Por ejemplo, si una baja concentración de una mezcla de aminoácidos es puesto en los dos reactores, el 80% de las celdas controladas están activas contra el 60% del sistema con cloro. Cuando las sustancia humica es la fuente de carbón, el 60% de las celdas en la biopelícula controlada están respirando mientras que en el sistema con cloro menos del 20% de las células respiran. Cuando la leucina es usada para medir la rata de crecimiento de la población, la rata es mayor en el sistema controlado que en el sistema con cloro.. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 30.

(31) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. 6.. MIC 2004-II-14. MODELO FÍSICO. 6.1 DISEÑO 6.1.1 MODELO FÍSICO DE RECIRCULACIÓN El modelo físico está constituido por tres tuberías en paralelo de PVC, MDPE y de hierro, la tubería de PVC es de 6” y las otras dos son de 4” con una longitud de 10 mts, excepto la tubería en hierro que es de 4 aproximadamente. Estas tuberías se conectan con dos tanques: 1) Tanque 1: dimensiones internas 1.5 m de ancho por 2 m de altura por 1.5 m de largo. 2) Tanque 2: 4,6 mts de ancho por 2.8 de largo por 0,6 de alto.. Tanque 1 Tubería Alimentación. Válvula control de aislamiento. Tubería de PVC. Tubería de Hierro Tubería de MDPE. Figura 4 Distribución de las tuberías.. Del tanque 2 sale la tubería de alimentación del sistema, de diámetro 4 pulgadas, que se conecta a una bomba que impulsa el flujo hacia el tanque 1. El caudal que llega al tanque 1 para recircular está controlado por medio de una válvula de 4”. Al. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 31.

(32) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. comienzo de cada tubería del montaje (PVC, MDPE y hierro) hay una válvula de control que aísla el funcionamiento de cada tubería independientemente para desarrollar las lecturas tubería por tubería.. Tubería Alimentación. Tanque 1. Figura 5 Tubería de Alimentación. Este caudal es medido por un limnimetro ubicado en la zona del laberinto de ladrillos, localizado en el tanque 2.. El sistema está provisto de piezómetros en ciertas secciones en las tuberías de 6 y 4 pulgadas, de forma que estos, llevados en su extremo libre a un tablero de medición, determinan la cabeza piezométrica a la que la sección está sometida. Adicionalmente, el sistema está provisto de dispositivos internos para la medición de la película bacteriana que se formará en las tuberías a través del tiempo, estos se encuentran fuera del rango de los piezómetros para no afectar las mediciones de pérdida por fricción.. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 32.

(33) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. Limnimetro. Zona Laberinto. Vertedero 60º. Figura 6 Laberintos del tanque 2, sitio de medición de caudal con piezómetros. 6.1.2 TUBERÍAS EN PARALELO El parámetro objeto de investigación, la rugosidad absoluta Ks, corresponde a las condiciones geométricas y de flujo del tramo de tubería de 10 m y 4 m. Los tramos de tubería de entrada y salida del sistema sirven para estudiar la influencia del crecimiento. de. biopelícula mediante el uso de dispositivos ubicados. estratégicamente. La tubería de hierro es de solamente 4 mts de largo, por lo tanto se unirá a una tubería de PVC, para completar la distancia requerida (10 mts).. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 33.

(34) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. Tubería de hierro de 4 plg y 4 m de longitud. Tubería de PVC de 4 plg Soportes adicionales. Figura 7 Tubería de hierro de 4 plg de 4 m de longitud condón a PVC. La tubería de MDPE es de 4” de diámetro y con una longitud de 10 metros y color negro, sin embargo por presentar una elasticidad considerable, esta debió ser introducida dentro de una tubería NOVALOC de 8” (color amarillo) para detener, en cierta forma, la continua deformación que presentaba debido al clima y evitar una posible destrucción del montaje.. Tubería de MDPE de 4”. Tubería de NOVALOC de 8”. Soporte adicional. Tanque 2. Figura 8 Tubería de MDPE de 4 “ introducida en una tubería NOVALOC de 8”. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 34.

(35) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. La tubería de PVC es de 6 pulgadas de diámetro con una longitud de 10 metros, en tramos de 6 y 4 metros aproximadamente unidos por medio de una válvula y dos unión platino Z.. Válvula de 6 plg”. Piezómetros. Unión platino Z”. Figura 9 Unión platino Z y válvula de 6 pulgadas de extremo liso. 6.1.3 TANQUES DE ALMACENAMIENTO Y RECIRCULACIÓN Dos tanques de dimensiones internas mencionadas anteriormente fueron construidos. con. ladrillo. tolete. común,. pañetados,. y. debidamente. impermeabilizados con el fin de evitar pérdidas diferentes a las causadas por el cambio de rugosidad de la tubería debido a la biopelícula. Se llamará el tanque de descarga de la bomba “Tanque 1”, y “Tanque 2” a aquel del que la bomba hace la succión. Ver Figura 10. Figura 10 Esquema general del modelo físico.. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 35.

(36) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. Tanque 1. Tubería Alimentación. Figura 11 Tanque 1, donde descarga la tubería de alimentación. Limnimetro Tubería de succión. Vertederos de 60º. Tanque 2. Figura 12 Tanque 2, sitio donde la bomba succiona para descargar por la tubería de alimentación de 4 “. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 36.

(37) Efecto hi dráulico de l as bi opelículas en tuberías de agua potable. MIC 2004-II-14. 6.1.4 MOTOBOMBA Con el fin de saber los parámetros comerciales para la selección de la bomba, es decir caudal requerido, cabeza mínima requerida, y potencia de la bomba, se lleva a cabo el siguiente procedimiento:. 6.1.4.1 Cálculo de la cabeza mínima requerida por la bomba En el artículo “Change of Roughness caused by Biofilms in pressure pipes”, dirigida por H.J Dalwig en Alemania, la velocidad máxima a la cual no se presenta desprendimiento de biopelícula, es decir la velocidad de arrastre, tiene un valor de 1.6 m/s. De acuerdo con esto la velocidad de diseño para el montaje será de 1.2 m/s, garantizando que no habrá arrastre de biopelícula en las tuberías de 6 y 4” pulgadas. De ésta forma, el caudal máximo estará definida por la suma de los caudales máximos a pasar por las tres tuberías simultáneamente, quedando Q máx = Q máx hierro + Q máxPVC + Q máx MDPE = Vmáx (A hierro + A PVC + A MDPE ) = 0.041. m3 ,se calcula s. a continuación la cabeza mínima que la bomba debe aportar: La cabeza que la bomba debe vencer será H = h m + h f + 1 .50 m + 0 .4 m = 6.15m . La potencia requerida es P = ρ ⋅ Q ⋅ g ⋅ H = 1316 W . En el modelo físico se utilizó una motobomba autocebante Motobomba Centrifuga 40A-5TW (4"-3"). Es la bomba hidráulica comercial cuyas especificaciones son las más afines a la cabeza y caudal de diseño.. La función de esta motobomba es tomar el flujo del tanque 2, para descargarlo en el tanque 1 por medio de las tuberías en serie de 4 pulgadas; y recircularlo constantemente durante el lapso de tiempo que el ciclo de pruebas lo demande.. Universidad de los Andes. Departamento de Ingeniería Civil. Maestría en Ingeniería civil Área Ambiental. 37.