Efecto hidráulico de estructuras de soporte de biopelículas en tuberías de alcantarillado

Texto completo

(1)EFECTO HIDRÁULICO DE ESTRUCTURAS DE SOPORTE DE BIOPELÍCULAS EN TUBERÍAS DE ALCANTARILLADO. LUZ ANGELA OTERO URIBE. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTA D.C. FEBRERO DE 2003.

(2) EFECTO HIDRÁULICO DE ESTRUCTURAS DE SOPORTE DE BIOPELÍCULAS EN TUBERÍAS DE ALCANTARILLADO. LUZ ANGELA OTERO URIBE. Proyecto de grado presentado como requisito para optar el título de Magíster en Ingeniería Civil.. Director JUAN GUILLERMO SALDARRIAGA VALDERRAMA. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTA D.C. FEBRERO DE 2003.

(3) A mi Madre, por darme fortaleza.. A Rodolfo, por su amor y apoyo incondicional.. Luz Angela.

(4) AGRADECIMIENTOS. A Juan Saldarriaga, por la oportunidad brindada y sus valiosas enseñanzas.. A Luis Alejandro Camacho, por su colaboración y aporte de conocimientos.. Al grupo CIACUA, por su gran colaboración y amistad.. A mis hermanas, por su cariño y alegría..

(5) 1 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. 1. INTRODUCCIÓN. La problemática que aqueja a muchas ciudades y poblaciones del mundo es el manejo y disposición de las aguas residuales, en lo que concierne a su recolección, transporte y tratamiento, no sólo por el impacto ambiental causado sobre los cuerpos receptores, sino por los efectos secundarios sobre la hidrología y la hidráulica de las cuencas afectadas por el sistema.. A medida que la composición de las aguas residuales se hace más compleja, cada vez se requiere de tratamientos más avanzados y por lo tanto más costosos. Por esta razón, es necesario plantear métodos alternativos o no convencionales para su tratamiento, mucho más económicos que las plantas de tratamiento, y de esta manera obtener una reducción del impacto ambiental por su vertido.. Además de ser un receptor y conductor de las aguas residuales, en el alcantarillado ocurren procesos físicos, químicos y biológicos durante el transporte del agua. Estos procesos de transformación de compuestos particulados y solubles ocurren en el volumen de agua, la biopelícula adherida en las paredes de la tubería y en los sedimentos. Estas transformaciones se ven favorecidas por el tiempo de retención hidráulica del agua en el alcantarillado, el cual es similar al de una planta de tratamiento, debido a las grandes longitudes de tubería que conforman una red de drenaje.. Uno de los tratamientos alternativos cuya utilización en las aguas residuales ofrece excelentes resultados a costos relativamente bajos, es el aprovechamiento de las biopelículas para convertir el sistema de alcantarillado en un gran reactor. Esto permitirá tratar las aguas residuales antes de su entrega a la planta de tratamiento y posteriormente a un cuerpo de agua receptor.. La utilización de biopelículas con el fin de realizar un pretratamiento del agua residual dentro del sistema de conducción, puede mejorarse mediante la implementación de. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(6) 2 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. estructuras de soporte al interior de la línea de alcantarillado para favorecer su desarrollo, aumentando así el área superficial disponible para su crecimiento. Sin embargo, estas estructuras alterarán el comportamiento hidráulico del sistema, modificando los parámetros que determinan el flujo. Se ha encontrado que la rugosidad es el parámetro más importante cuando se modifica la configuración interna de la tubería.. El objeto de esta investigación, es establecer la posibilidad de adaptar las tuberías de alcantarillado desde su fabricación, utilizando diferentes estructuras de soporte para promover la formación de una película biológica al interior del tubo y que causen un mínimo efecto en el comportamiento hidráulico.. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(7) 3 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. 2. OBJETIVOS. 2.1. OBJETIVO GENERAL. Estudiar el efecto en el comportamiento hidráulico de diferentes tipos de estructuras de soporte para la formación de biopelículas, en el pretratamiento de las aguas residuales dentro de la red de alcantarillado.. 2.2 -. OBJETIVOS ESPECIFICOS Estudiar en forma experimental en el laboratorio utilizando agua residual sintética, el efecto sobre el n de Manning al utilizar estructuras de soporte de biopelícula fabricables en tubería PVC de alcantarillado NOVALOC-PAVCO.. -. Establecer los cambios en la eficiencia hidráulica de los sistemas de alcantarillado al utilizar diferentes tipos de estructuras de soporte de biopelículas como parte del diseño de las tuberías.. -. Evaluar el efecto en el n de Manning en relación al tiempo de circulación del agua residual sintética dentro de la tubería y al crecimiento de la biopelícula adherida a la estructura de soporte.. -. Determinar el tipo de estructura de soporte, que ofrece las mejores características hidráulicas o las menores resistencias al flujo.. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(8) 4 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. 2.3. MIC 2002-II-35. ALCANCE. En la investigación se busca establecer la variación del Coeficiente de Manning con la formación de biopelícula adherida a un medio de soporte, evaluando el efecto hidráulico producido al utilizar dicha estructura al interior de tuberías de alcantarillado. Mediante la metodología de calibración desarrollada, se va a determinar la evolución del Coeficiente de Manning con agua limpia y con biopelícula en dos tuberías NOVALOC PAVCO con diferentes medios de soporte. Las pruebas experimentales se realizan hasta alcanzar un período en el cual se estabilice el crecimiento de la biopelícula, es decir, que el espesor de la misma no varíe significativamente en el tiempo. No se pretende desarrollar un estudio sobre la influencia de la formación de biopelícula en la calidad del agua residual, 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 la degradación de la materia orgánica presente.. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(9) 5 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. 3. ANTECEDENTES. La Universidad de los Andes con el apoyo de PAVCO, ha venido desarrollando una serie de investigaciones con el fin de determinar el efecto de la película biológica sobre la rugosidad de las tuberías de alcantarillado. La investigación “Efecto de las películas biológicas sobre el n de Manning en tuberías de alcantarillado” dirigida por el Ingeniero Juan Guillermo Saldarriaga, fue desarrollada desde 1995 por Unger M.,. Barriga M.,. Ceron, A. y Burgos R. hasta el año 1999. Inicialmente se trabajó con agua residual sintética en un modelo construido en el laboratorio de hidráulica de la Universidad de los Andes, ensayándose diferentes diámetros de tuberías de alcantarillado NOVAFORT, dando como resultado valores de n de Manning cercanos al valor establecido para este tipo de tuberías, es decir, que en tuberías lisas (PVC), el efecto generado por el crecimiento bacteriano sobre la rugosidad del conducto, es poco significativo.. En los años 2000 y 2001, Ricaurte J., Rojas N. y Romero P. realizaron diferentes investigaciones dirigidas por el Ingeniero Eugenio Giraldo, orientadas al estudio de los sistemas de alcantarillado como una alternativa en el pretratamiento de aguas residuales. Se trabajó con el mismo modelo hidráulico de las investigaciones anteriores, pero utilizando un medio de soporte de filamentos de Nylon de 0.5 mm en el interior de la tubería. Los ensayos se realizaron para un diámetro de tubería de 12 pulgadas, y se observó eficiencias de remoción de DQO hasta del 40%.. En el segundo semestre del año 2001, Gómez A. y Rogelis M. llevaron a cabo la investigación “Estudio hidráulico de estructuras de soporte de biopelículas en alcantarillados”, en la cual se evaluó el efecto en la hidráulica de las tuberías de alcantarillado al utilizar filamentos de Nylon de 0.5 mm como medio de soporte. De los resultados obtenidos se concluyó que en el diseño, aunque los soportes laterales presentaban el menor efecto en el comportamiento hidráulico del sistema, al utilizar filamentos de Nylon como medio de soporte se aumenta notablemente el n de Manning a un valor de 0.0152.. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(10) 6 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. 4. MARCO TEÓRICO. 4.1. 4.1.1. HIDRÁULICA DE ALCANTARILLADOS. Ecuación de Manning. Robert Manning, que se desempeñaba como profesor en el Royal College de Dublín, basado en el trabajo de Darcy y Bazin en canales experimentales reales entre 1855 y 1860; seleccionó siete fórmulas de flujo uniforme para velocidad en canales abiertos, y calculó la velocidad en un rango de radio hidráulico entre 0.35 m y 30 m en cada fórmula para una pendiente dada.. De estos resultados preliminares, concluyó que la velocidad era proporcional al radio hidráulico a la 4/7 potencia y a la pendiente a la 1/2 potencia. Sin embargo, para obtener una ecuación más general, Manning analizó los resultados de algunos experimentos seleccionados de Bazin en canales semicirculares revestidos con cemento y con una mezcla de arena y cemento, concluyendo que el exponente en ambos casos era muy cercano a 2/3.. La fórmula resultante para flujo uniforme fue dada por Manning en 1889, en la que el subíndice 1 se añade para distinguir el coeficiente del C de Chézy. Esta es la primera expresión general para calcular las velocidades medias en tuberías, canales y ríos: 2. V = C1R 3 S. 1. 2. ( 4-1 ). donde: V: Velocidad C1: Factor que depende únicamente de la rugosidad R: Radio hidráulico S: Pendiente de la línea de carga. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(11) 7 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. Flamant publicó la anterior ecuación en su libro texto de 1891 y la referenció como la fórmula de Manning. Sin embargo un repaso cuidadoso del registro histórico hecho por Williams (1970), demuestra que otros 10 investigadores propusieron una fórmula de este tipo.. La primera sugerencia del exponente de 2/3 sobre el radio hidráulico realmente fue hecha por el ingeniero Francés Gauckler en 1867. La fórmula de Gauckler también estaba basada en los experimentos de Darcy y Bazin pero nunca recibió una aceptación amplia, debido al uso amplio de una ecuación propuesta por Ganguillet y Kutter en 1869 para el C de Chézy. Esta ecuación para C era muy compleja y tenía una dependencia en la pendiente y un coeficiente de rugosidad único, n conocido como el n de Kutter. El irónico giro final en el desarrollo de lo que se conoce como la fórmula de Manning fue la sugerencia hecha por Flamant que C1 en la fórmula de Manning podría expresarse como el recíproco del n de Kutter en unidades simétricas. Lo que ahora conocemos como la fórmula de Manning se escribe hoy como:. V =. K n 23 12 R S n. ( 4-2 ). en la cual v es la velocidad; R es el radio hidráulico; y S es la pendiente del lecho. El valor de Kn = 1.0 con R en m y V en m/s y Kn = 1.49 para R en pies y V en pies/s. Algunos textos subsecuentes repitieron esta afirmación y el hidráulico americano King (1918) defendió este paso refiriéndose al n como el n "de Manning". Esta ecuación utilizada para condiciones de flujo uniforme, fue atribuida a Robert Manning, en reconocimiento a sus labores de investigación. (Sturm, 2001).. El n de Manning es una medida de la rugosidad de las paredes de la tubería. Cuando el flujo es uniforme, si el n de Manning aumenta, entonces la velocidad disminuye y la profundidad normal aumenta (El flujo se frena por la fricción); y si el n de Manning disminuye, entonces la velocidad aumenta y la profundidad normal disminuye (La capacidad hidráulica aumenta, por lo tanto hay mayor caudal). (Metcalf and Eddy, 1995).. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(12) 8 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. La fórmula de Manning tuvo gran difusión a través del tratado de Flamant. Fue adoptada en Estados Unidos como base de su norma en el diseño de alcantarillados y constituye hoy en día la expresión más popular utilizada en la hidráulica práctica para el cálculo de las velocidades. Se dispone de varios valores dependiendo del material del conducto, su acabado y su estado de conservación. (Levi, 1989).. La principal razón de la difusión de la ecuación de Manning radica en su facilidad de uso, siendo una ecuación explícita y, si el flujo es hidráulicamente rugoso, arroja resultados muy exactos. (Saldarriaga, 1995). Aunque, su coeficiente n no es afectado únicamente por la rugosidad, sino también por las características de la sección mojada, esto se remedia en cada caso escogiendo un valor adecuado.. 4.1.2. Propiedades geométricas de la sección transversal en tuberías circulares parcialmente llenas. Las tuberías de alcantarillado sanitario se diseñan con flujo parcialmente lleno. Las ecuaciones que describen la sección transversal de una tubería que fluye parcialmente llena, se pueden plantear a partir de la Figura 4-1.. Figura 4-1. Sección transversal típica de una tubería parcialmente llena. El ángulo θ se calcula como:. θ = π + 2α. ( 4-3 ). donde θ está en radianes y α se puede expresar como:. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(13) 9 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. α = arcsen. MIC 2002-II-35. x d 2. ( 4-4 ). d 2. ( 4-5 ). y la distancia x es:. x = yn −. Reemplazando el valor de α en la Ecuación ( 4-3) se obtiene:. θ = π + 2arcsen. yn − d d. ( 4-6 ). 2. 2. El área mojada A, se expresa como:. 1 (θ − senθ )d 2 8. ( 4-7 ). 1 P = θ ⋅d 2. ( 4-8 ). A=. y el perímetro mojado P, es:. Por lo tanto, el radio hidráulico es:. R=. A 1  senθ  = 1 − d θ  P 4. ( 4-9 ). La profundidad hidráulica D y el ancho de la superficie T, son respectivamente:. D=. (θ − senθ )d y −d 2   8 cos arcsen n d 2  .  y − d 2  T = d cos arcsen n d 2  . ( 4-10 ). ( 4-11 ). (Saldarriaga, 1995).. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(14) 10 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. 4.1.3. MIC 2002-II-35. Flujo permanente no uniforme. Este tipo de flujo es causado por obstrucciones locales o cambio de sección, o por algún tipo de control aguas abajo. En este caso los perfiles de flujo están determinados por la solución numérica de la siguiente ecuación diferencial:. dy So − S f = Q 2T dx 1− gA3. ( 4-12 ). donde T: Ancho superficial a una profundidad y A: Area de flujo So: Pendiente del fondo del canal Sf: Gradiente de energía obtenida de la fórmula de flujo uniforme (Chezy, Manning, Darcy). (Ven Te Chow, 1994).. 4.2. ASPECTOS GENERALES DE LAS AGUAS RESIDUALES. 4.2.1. Composición de las aguas residuales. Las aguas residuales se pueden definir como una combinación de líquidos y sólidos que provienen como desecho de distintas actividades en residencias, instituciones y establecimientos comerciales e industriales, junto con el agua de infiltración y la escorrentía pluvial. La composición de los caudales de aguas residuales puede incluir los siguientes componentes: §. Agua residual doméstica (o sanitaria): Procedente de zonas residenciales o instalaciones comerciales, públicas y similares. Estos desechos presentan un alto contenido de materia orgánica, detergentes y grasas. Su composición varía según los hábitos de la población que los genera.. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(15) 11 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. §. MIC 2002-II-35. Agua residual industrial: Las aguas residuales industriales son las provenientes de los diferentes procesos industriales. Su composición varía según el tipo de proceso industrial y aún, para un mismo proceso industrial, se presentan características diferentes en industrias diferentes. Las aguas residuales industriales pueden ser alcalinas o ácidas, tóxicas, coloreadas, etc.; su composición refleja el tipo de materias primas utilizado dentro del proceso industrial.. §. Infiltración y aportaciones incontroladas: Agua que entra tanto de manera directa como indirecta en la red de alcantarillado. La infiltración hace referencia al agua que penetra en el sistema a través de juntas defectuosas, fracturas y grietas, o paredes porosas. Las aportaciones incontroladas corresponden a aguas pluviales que se descargan a la red por medio de alcantarillas pluviales, drenes de cimentaciones, bajantes de edificios y tapas de pozos de registro.. §. Aguas pluviales: Las aguas lluvias o pluviales son las originadas por el escurrimiento superficial de las lluvias (escorrentía) que fluyen desde los techos, calles, jardines y demás superficies del terreno. Los primeros flujos de aguas lluvias son generalmente muy contaminados debido al arrastre de basura y demás materiales acumulados en la superficie. La naturaleza de esta agua varía según su procedencia: zonas urbanas, rurales, semi-rurales y aún dentro de estas zonas se presentan enormes variaciones según el tipo de actividad o uso del suelo que se tenga. (Metcalf and Eddy, 1995).. En la Tabla 4-1 se presenta las características fisicoquímicas típicas de las aguas residuales.. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(16) 12 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. Tabla 4-1. Concentraciones típicas de contaminantes. Contaminante. Concentración media (mg/L). Físico: − Sólidos Suspendidos (SS) Volátiles (SSV) Fijos (SSF) Totales (SST) − Temperatura (ºC) Químico: − DBO5 − DQO − COT − Nitrógeno N-orgánico Amonio Total − Fósforo Orgánico Inorgánico Total − PH − Sulfatos − Grasas, aceites Microbiológicos: − Coliformes totales − Coliformes fecales. 240 60 300 (180 – 450) 18 (15 – 20) 300 (200 – 400) 550 (350 – 750) 200 (100 – 300) 20 40 60 (30 – 85) 5 10 15 7.2 (6.7 – 7.5) 100 100 107 – 108 NMP/100 mL 106 – 107 NMP/100 mL. Fuente: Metcalf and Eddy, 1995.. 4.2.2. Transporte y producción de aguas residuales. La recolección de aguas residuales constituye un punto importante en la planeación y desarrollo de las ciudades. Esta se realiza a través de redes de alcantarillado, las cuales pueden estar compuestas de tuberías y canales. Para la evacuación de las aguas residuales y pluviales se emplean tres tipos de redes de alcantarillado: redes sanitarias, pluviales y combinadas. §. Alcantarillado Sanitario: Un alcantarillado sanitario transporta únicamente aguas residuales domésticas y algunas industriales compatibles con aquellas o que han sido. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(17) 13 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. sometidos a tratamientos preliminares, además de aguas subterráneas que se infiltran dentro del alcantarillado. §. Alcantarillado Pluvial: Este alcantarillado recoge únicamente las aguas lluvias, es decir, que se mantiene seco en épocas de sequía, exceptuando algunas aguas de infiltración que se pueden ir acumulando o los aportes por conexiones erradas. La cantidad de las aguas de infiltración depende de la posición del nivel freático.. §. Alcantarillado combinado: Un alcantarillado combinado recoge tanto las aguas residuales domésticas como las aguas lluvias. Hoy en día la construcción de este tipo de alcantarillados se practica en zonas donde resulta muy costosa la construcción de alcantarillados separados. (Butler y Davies, 2000).. La producción de aguas residuales domésticas e industriales depende en gran parte, del agua suministrada. En consecuencia, un estimativo de la cantidad de aguas residuales que alcanzan los alcantarillados debe ser precedido de un estudio de consumos de agua, que incluya el agua de uso doméstico, industrial, lavado de calles, riego de prados, etc.. La cantidad de aguas residuales que llega a los alcantarillados varía mucho según la ciudad, clima, tipo de suelo, tipo de zona (residencial, comercial, industrial, etc.), nivel freático, etc., y puede oscilar entre un 70 % y un 130 % del agua consumida.. Para el diseño de las redes de alcantarillado, se trabaja con el coeficiente de fricción de Manning, el cual varía de acuerdo al material de la tubería o canal. Sin embargo, no se tiene en cuenta el efecto que tiene sobre éste coeficiente, la película bacterial que se forma sobre las paredes de la tubería que están en contacto con el agua residual luego de estar en operación. Este factor es importante en el diseño de las redes de alcantarillado, ya que la formación de biopelículas al interior de las tuberías, afecta el coeficiente de fricción y por lo tanto el comportamiento hidráulico del sistema.. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(18) 14 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. 4.3. MIC 2002-II-35. MICROBIOLOGÍA DE LAS AGUAS RESIDUALES. Debido a la gran cantidad de materia orgánica y nutrientes, las aguas residuales constituyen un medio propicio para el desarrollo y crecimiento de una gran variedad de microorganismos.. Dentro de los microorganismos unicelulares se debe discriminar entre los eucariotas y los procariotas, así los primeros se destacan por poseer acumulación de ADN en un núcleo definido; los segundos al no poseer núcleo diferenciado son los organismos menos evolucionados y son los mayores responsables de la descomposición de la materia orgánica, dado que no desarrollan relaciones ecológicas activas con otros organismos.. Los principales microorganismos que se encuentran presentes en las aguas residuales y que son la base biológica para el tratamiento de las mismas son:. 4.3.1. Bacterias. Son organismos procarióticos unicelulares, es decir que no tienen una membrana nuclear definida y carecen de mitocondrias y retículo endoplasmático. En función de la forma, las bacterias pueden clasificarse en cuatro grandes grupos: esferoidales, bastón, bastón curvado y filamentosas. Las bacterias están compuestas en un 75 a 80% de agua y un 20% de material seco, del cual el 80 – 90% es orgánico y el resto inorgánico. Aproximadamente la mitad de la parte orgánica es carbono. (Metcalf and Eddy, 1995).. Las bacterias que necesitan el dióxido de carbono como su fuente de carbono; desde el punto de vista de la nutrición, se denominan organismos autótrofos (la energía es suministrada por la oxidación del azufre), y los organismos que necesitan de compuestos orgánicos de carbono se denominan heterótrofos.. Las bacterias heterótrofas son las más relacionadas con el ser humano. En este grupo de bacterias se pueden encontrar todas las que producen enfermedades al hombre. Estos microorganismos varían considerablemente en cuanto a sus necesidades de nutrientes específicos para el desarrollo. Todas necesitan de carbono orgánico; sin embargo difieren en los tipos de compuestos orgánicos de carbono que pueden asimilar. Todas las. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(19) 15 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. heterótrofas utilizan CO2, pero este compuesto por sí solo no satisface sus necesidades de carbono. Sin embargo, hay una gran diversidad manifiesta en lo que respecta a las necesidades de nitrógeno; algunas se satisfacen con el nitrógeno atmosférico, otras lo hacen con compuestos nitrogenados inorgánicos y otras más necesitan de uno o más compuestos orgánicos nitrogenados. (Pelczar M.J. et al., 1982).. Las bacterias juegan un papel importante en los procesos de descomposición y estabilización de la materia orgánica. Los elementos y compuestos necesarios para su desarrollo deben ser tomados del ambiente que rodea a la bacteria, los cuales son abundantes en las aguas residuales. Un factor importante en el crecimiento de los organismos es el pH, ya que muchas bacterias no pueden tolerar niveles de pH superiores a 9.0 unidades, o inferiores a 4.0. Generalmente el rango óptimo de pH para el desarrollo de las bacterias debe estar entre 6.5 y 7.5 unidades. (Metcalf and Eddy, 1995).. Aunque los impactos sobre la salud pública debido a la contaminación bacteriológica son difíciles de cuantificar, los efectos bacteriológicos pueden llegar a ser los más significativos en el tema de la contaminación causada por las aguas residuales. Los siguientes grupos de bacterias son empleados como indicadores de la contaminación humana.. 4.3.1.1. Coliformes:. Los organismos patógenos se presentan en las aguas residuales y contaminadas en cantidades muy pequeñas y, además, resultan difíciles de aislar y de identificar. Por ello se emplea el organismo Coliforme como principal organismo indicador, puesto que su presencia es más numerosa y fácil de comprobar. Los niveles de bacterias en los sedimentos de alcantarillados combinados pueden alcanzar una concentración mayor de 109 Coliformes Totales por 100 mL. (Tebbutt T.H.Y., 1992).. 4.3.1.2. Enterococos:. Aunque se les había clasificado en el género Estreptococcus del grupo D, hace poco han sido asignados a su propio género, Enterococcus. Constituyen la biota normal del tracto. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(20) 16 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. intestinal, así como del tracto genitourinario. Se les considera como “las bacterias más resistentes del mundo”, ya que estos microorganismos pueden crecer en concentraciones de sal siete veces más altas que las de los líquidos tisulares normales, y pueden hacerlo en detergentes, incluyendo bilis al 60%. Estas bacterias crecen en cadenas de células redondas. No llevan a cabo la respiración sino la fermentación. Esto es característico de las bacterias anaerobias y de hecho algunos enterococos son anaerobios estrictos. (Pelczar M.J. et al., 1982).. 4.3.1.3. Escherichia Coli (E. Coli):. Las bacterias entéricas representadas por el grupo E. Coli, son bacilos gramnegativos, los cuales se caracterizan por poseer una membrana externa, y constituyen un amplio grupo de patógenos importantes. Las bacterias entéricas tienen en común la capacidad de crecer con rapidez en los medios de laboratorio, de formar colonias de tamaño mediano (en general menos de 1 mm de diámetro a las 24 horas). Se dividen en las que fermentan lactosa (E. Coli) y las que no lo hacen (Salmonella, Shigella). La E. Coli obtiene la mayor parte del carbono que necesita a partir de la glucosa y la energía proviene de la oxidación o fermentación de la glucosa.. Algunas cepas de E.coli son bastantes específicas del ser humano; en la mayoría de las infecciones que causan estos microorganismos provienen de otros seres humanos. Diferentes cepas de E. Coli pueden causar un espectro de enfermedades clínicas. (Schaechter M. et al, 1990).. 4.3.1.4. Pseudomonas sp.:. El género Pseudomonas aunque son bacilos gramnegativos, se diferencian de las bacterias entéricas en cuanto al metabolismo y en cierto modo en la morfología. La Pseudonomonas aeruginosa, es un patógeno secundario que puede infectar animales con sistemas de inmunidad suprimidos. Las Pseudomonas, a menudo se hallan en el agua – los ríos, los lagos, las piscinas, el agua corriente -, fuente habitual de las infecciones humanas. (Pelczar M.J. et al., 1982).. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(21) 17 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. Pseudonomos aeruginosa es una bacteria pionera común y es utilizada en numerosas investigaciones de biopelículas. En un experimento (Vanhaecke, 1990), los investigadores encontraron que las células pseudomonas se adhieren al acero inoxidable y aún a superficies electropulidas en menos de 30 segundos de exposición.. 4.3.2. Hongos y levaduras. En los hongos se incluyen los hongos y las levaduras. Los hongos son heterótrofos pues como saprofitos obtienen su alimento de la materia orgánica muerta o como parásitos se alimentan de huéspedes vivos. Son microorganismos protistas eucariotas aerobios, es decir. que. tienen. células. nucleadas,. son. multicelulares,. no. fotosintéticos. y. quimioheterótrofos.. Las levaduras como los hongos, son organismos eucarióticos y su forma dominante es unicelular. Son más aptas para efectuar cambios químicos porque tienen mayor área superficial en relación a su volumen. No realizan fotosíntesis y tienen una pared celular rígida. (Pelczar M.J. et al., 1982).. Junto con las bacterias, los hongos y las levaduras son los principales responsables de la descomposición del carbono en la biosfera. Desde el punto de vista ecológico, los hongos presentan ciertas ventajas sobre las bacterias: pueden crecer y desarrollarse en zonas de baja humedad y en ámbitos con pH bajos. Sin la colaboración de los hongos en los procesos de degradación de la materia orgánica, el ciclo del carbono se interrumpiría en poco tiempo, y la materia orgánica empezaría a acumularse. (Metcalf and Eddy, 1995).. 4.3.3. Algas. Son microorganismos pluricelulares o unicelulares fotosintéticos que aportan oxígeno al ambiente como resultado de su actividad. Se reproducen rápidamente cuando las condiciones nutricionales son favorables, originando problemas de olor y de sabor. (Metcalf and Eddy, 1995).. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(22) 18 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. 4.3.4. MIC 2002-II-35. Protozoos. Son microorganismos eucariotas unicelulares que tienen la capacidad de desplazarse de un lugar a otro. La mayoría son aeróbicos, aunque algunos pueden sobrevivir en ambientes anóxicos. Los protozoos de importancia en las aguas residuales son las amebas, los flagelados y los ciliados libres y fijos. Los protozoos se alimentan de bacterias y materia orgánica particulada. (Metcalf and Eddy, 1995).. 4.4. PELÍCULA BIOLÓGICA. Las películas biológicas son conjuntos de microorganismos que están dispuestos en forma de capas limosas en los que sus polímeros extracelulares se encuentran adheridos a una superficie sólida viva o inerte. Existen en cualquier superficie que entre en contacto con el agua. (Coghlan, 1996).. Los microorganismos prefieren formar parte de una película biológica debido principalmente a las siguientes razones:. 1.. Al permanecer fijadas en el espacio, las biopelículas están continuamente expuestas a sustrato fresco debido a que los rastros orgánicos se concentran en las superficies, además los polímeros extracelulares concentran los rastros de nutrientes del volumen de agua. En otras palabras, la concentración del sustrato es más elevada cuando la película biológica está fijada cerca de la fuente de suministro.. 2.. Diferentes clases de bacterias deben vivir juntas en consorcios para el transporte de sustrato o algunas otras relaciones de sinergia. Por ejemplo, los colonizadores secundarios utilizan los desperdicios de sus vecinos, y así; agrupando sus recursos bioquímicos, varias especies de bacterias armadas con diferentes enzimas, pueden tomar suplementos alimenticios que ninguna especie pudiera digerir por si sola.. 3.. Las películas fijas crean unas condiciones internas de entorno (por ejemplo pH, O2, o productos) más favorables que las de la mayor parte del líquido. En otras palabras, la película biológica genera microentornos únicos, autocreados, que benefician a las células.. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(23) 19 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. 4.. MIC 2002-II-35. La propia superficie crea un microentorno único, para absorber toxinas o desprender Fe+2 corrosivo, que es un donante de electrones.. La posibilidad 1 parece ser cierta en los sistemas de flujo de agua, especialmente cuando las concentraciones de sustrato son bajas, y las velocidades de flujo son altas. Las posibilidades 2,3 y 4 suponen efectos microambientales y parecen ocurrir en determinadas situaciones. Son formas de selección ecológica, y la formación de película biológica es un procedimiento para el control ecológico de un proceso. (Rittmann B. y McCarty P., 2001).. 4.4.1. Fijación de la biopelícula a un medio fijo. La fijación de biomasa en medios de soporte, facilita la consolidación de su sustentación y de la generación de un conjunto de relaciones ecológicas en el grupo de bacterias que se generan con la profundidad de la biopelícula formada.. La formación de la biopelícula se inicia cuando los microorganismos presentes en el agua residual comienzan adherirse al medio de contacto. Se reconocen dos fases generales para la formación de biopelícula, en la primera se tiene una adsorción de la materia orgánica sobre el soporte a nivel molecular con la consecuente adherencia de las primeras células bacterianas. Esta microfauna crece tomando los nutrientes del agua residual y el oxígeno de la atmósfera. En la segunda etapa entran a jugar las fuerzas electrostáticas de Van der Walls, y la generación de material aglutinante por la biomasa adherida en la anterior fase.. En la etapa inicial de la formación de la película, los microorganismos crecen aceleradamente, debido a que existe suficiente nitrógeno y oxígeno, y los nutrientes son consumidos por la población microbiana que se localiza en la parte externa de ésta, lo que da lugar a que el oxígeno no penetre todo el espesor de la película, generando un ambiente anaerobio en el interior de ésta. Esto trae como consecuencia, la muerte de los microorganismos que son estrictamente aerobios que unido a los esfuerzos cortantes generados por los gradientes de velocidad, promueven el desprendimiento de la película. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(24) 20 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. biológica, y por lo tanto, la continua renovación de la biomasa alojada dentro de la biopelícula. (Characklis, 1980).. En la biopelícula se forman tres tipos de baterias, dependiendo de la capacidad para aportarles oxígeno: En la parte externa gracias a la presencia de compuestos con oxígeno (nitratos, sulfatos, fosfatos), se tienen las bacterias aerobias que son las primeras en desarrollarse gracias a su alta eficiencia energética. Luego en la capa intermedia se tienen las bacterias facultativas que tienen la capacidad de crecer con o sin presencia de oxígeno, lo cual las hace más adaptables al medio acuoso anaerobio posible. Finalmente interactuando con el medio de soporte se tienen las bacterias anaerobias que producen metano en sus procesos de crecimiento.. Figura 4-2. Ecología de la interacción biológica de la biopelícula formada en tuberías. (Edstrom Industries, 2002). La ecología de interacción se puede describir así: El crecimiento de la biopelícula se inicia con bacterias aerobias, luego con el aumento del espesor, las capas profundas no pueden recibir el oxígeno necesario para el crecimiento, lo cual implica una adaptación de las bacterias para convertirse en facultativas. Finalmente cuando el espesor se desarrolla completamente, las capas profundas no reciben oxígeno y se desarrolla el ambiente anaerobio que genera las bacterias respectivas.. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(25) 21 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. De la primera capa se sustrae del medio acuoso el nivel máximo de oxígeno disponible, como remanente a la capa facultativa las bacterias pueden dejar niveles de nitratos y sulfatos que son recibidos como agentes oxidantes. De la capa inferior el metano sale hacia la superficie, pero recibe la materia orgánica remanente de las capas superiores.. En el siguiente esquema se muestran de manera detallada las interacciones ecológicas de las biopelículas:. Materia Orgánica. Medio de Soporte. Zona Anaerobia. Zona Facultativa. Zona Aerobia CO2. Metano. Medio Acuoso Productos finales Oxígeno. Figura 4-3. Esquema detallado de la interacción biológica de la biopelícula con el medio de soporte y el volumen de agua. (Characklis, 1980).. 4.4.2. Pasos de progresión en el desarrollo de la biopelícula. En cuanto un tubo limpio se empieza a llenar de cualquier tipo de agua, comienza a formarse una biopelícula. El desarrollo de la biopelícula ocurre en los siguientes pasos progresivos:. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(26) 22 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. 4.4.2.1. MIC 2002-II-35. Paso de progresión 1, “Condicional superficial”:. Las primeras sustancias que se adhieren a la superficie no son bacterias sino son moléculas orgánicas. Casi inmediatamente después que el tubo limpio está en contacto con el agua, se forman depósitos orgánicos en la capa interfase agua/sólido. (Mittelman, 1985). Estos compuestos orgánicos forman “una capa condicional”, la cual neutraliza la. excesiva carga superficial y la energía libre superficial, que puede evitar que la célula bacterial se acerque lo suficiente, para así iniciar la conexión. Además, las moléculas orgánicas fijadas por adsorción sirven a menudo como fuente de nutriente para las bacterias.. Figura 4-4. Adsorción de moléculas orgánicas en una superficie limpia formando condiciones propicias para el crecimiento de la biopelícula. (Characklis, 1990). 4.4.2.2. Paso de progresión 2, “Adherencia de la bacteria pionera”:. En un tubo donde el agua fluye, algunas bacterias (libre-flotantes) se acercan a la pared del tubo y se arrastran dentro de la capa del límite, la zona quieta en la pared del tubo donde la velocidad del flujo disminuye a cero. Algunas de estas células se fijan por adsorción a la superficie del tubo por un cierto período, esto se denomina adsorción reversible. Esta conexión inicial se basa en la atracción electrostática. y las fuerzas. físicas, y no en conexiones químicas. Algunas de las células fijadas por adsorción reversible, comienzan a prepararse para una estancia muy larga, conformando una estructura que puede permanentemente adherir las células a la superficie. Estas células son irreversiblemente adsorbidas.. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(27) 23 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. Figura 4-5. Transporte de las células bacteriales hacia la superficie condicionada, adsorción, desorción y adsorción irreversible. (Characklis 1990). 4.4.2.3. Paso de progresión 3, “Formación del limo o glycocalyx”:. Las bacterias de la biopelícula excretan unas sustancias poliméricas extracelulares o polímeros pegajosos, lo cual ocasiona que la biopelícula se cimiente a la pared del tubo y mantiene la biopelícula unida. Además, estos hilos del polímero atrapan los alimentos escasos y protegen a las bacterias contra las sustancias tóxicas.. Según Mittelman (1985) “La conexión es mediada por los polímeros extracelulares, que se extienden hacia fuera de la pared bacteriana de la célula (como la estructura de una telaraña). Este material polimérico, consiste en grupos cargados y neutrales de los polisacáridos que no sólo facilitan la conexión sino también actúan como un sistema de intercambio iónico para la interceptación y captación de los alimentos que fluyen en el agua. El cieno también actúa como una capa protectora para las células asociadas, atenuando los efectos bioácidos y de otras sustancias tóxicas.”. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(28) 24 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. Figura 4-6. Las bacterias pioneras son células “vellosas” con polímeros extracelulares los cuales se adhieren a la superficie. (Mittelman 1985) Mientras que los nutrientes se acumulan, las células pioneras proceden a reproducirse. Según Mayette (1992), las células hijas entonces producen su propio limo (Glycocalyx) o material aglutinante, aumentando excesivamente el volumen de la superficie de intercambio iónico. Rápidamente establecen unas colonias prósperas de bacterias.. Figura 4-7. La biopelícula está compuesta de microbios y una “red” de polímero extracelular. (Mayette, 1992) En una biopelícula madura, del 75 al 95% del volumen es ocupado por la matriz libremente organizada del limo o glycocalyx, y del 5 al 25% por células bacteriales. Debido a que la matriz contiene mucho agua, la cobertura de la biopelícula se torna gelatinosa y deslizadiza. (Geesey, 1994).. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(29) 25 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. 4.4.2.4. MIC 2002-II-35. Paso de progresión 4, “Colonizadores secundarios”:. Así como atrapa moléculas nutritivas, la red glycocalyx o limo, atrapa otro tipo de células microbiales a través de la restricción física e interacción electrostática. Estos colonizadores secundarios metabolizan las basuras de los colonizadores primarios, e igualmente el producto de su propia basura podrá ser utilizado por otras células después. Según Borenstein 1994, “estas bacterias y hongos se asocian a la superficie después de la colonización hecha por el primer grupo de bacterias, llevándolo a cabo en cuestión de días”.. Figura 4-8. Colonización y crecimiento de la biopelícula hasta alcanzar la etapa de madurez. (Edstrom Industries, 2002). 4.4.2.5. Paso de progresión 5, “Biopelícula funcionando completamente en consorcios cooperativos de especies”:. La biopelícula madura, funcionando completamente es como un tejido vivo localizado en la superficie del tubo. Es como una comunidad metabólica cooperativa, compuesta de diversas especies, cada una en un micronicho modificado para requisitos particulares. Incluso se considera que las biopelículas tienen sistemas circulatorios primitivos.. Diversas especies viven acopladas en las ciudades del limo, ayudándose a explotar suministros de alimentos y a resistir amistosamente las interacciones de los antibióticos.. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(30) 26 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. La basura tóxica producida por una especie, puede ser devorada por su vecino. Reuniendo sus recursos bioquímicos para construir una ciudad comunal del limo, varias especies de bacterias, se arman cada una con diversas enzimas, las cuales sintetizan los suministros de alimentos que ninguna especie podría digerir por sí sola.. Las biopelículas son impregnadas en todos los niveles por una red de canales a través de los cuales el agua, la basura bacteriana, los alimentos, las enzimas, los metabolitos y el oxígeno viajan hacia delante y hacia atrás. (Coghlan, 1996).. Figura 4-9. Conformación de la red de canales durante el crecimiento de la biopelícula, a través de los cuales viajan agua, basura bacteriana, nutrientes, enzimas, metabolitos y oxígeno. (Edstrom Industries, 2002). 4.4.3. Expansión de las biopelículas. Una biopelícula puede extenderse a su propia tasa a través de una división normal de células y eso de igual forma periódicamente liberará células buscando colonizar sectores de tuberías. A medida que la película llega a un espesor que le permite extenderse desde la frontera hasta zonas de mayor velocidad y turbulencia, aunque algunas células serán desprendidas.. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(31) 27 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. De acuerdo a Mayette (1992), “estas posteriores células pioneras tienen un poco de tiempo más fácil que el de sus predecesoras aguas arriba ya que la película original libera desperdicios en la corriente que pueden servir tanto para un revestimiento orgánico inicial en sectores del tubo no colonizados aguas abajo como de sustancias nutrientes para otros tipos de células.. Figura 4-10. Las bacterias y otros microorganismos desarrollan colonias cooperativas o “consorcios” dentro de la biopelícula. Una película anaeróbica puede desarrollar por debajo una capa aeróbica. El espesor de la biopelícula puede alcanzar un equilibrio cuando en el agua se desprenden células en un flujo turbulento. (Borenstein, 1994). 4.4.4. 4.4.4.1. Factores que producen la adhesión y el crecimiento de la biopelículas. Medio de soporte:. La función de un medio de soporte sólido es la de proporcionar rigidez y estabilidad para la adherencia de la biomasa, además de exponer la máxima área superficial al flujo del líquido bajo circulación. Este medio debe ser inerte al contacto con el agua residual, de manera que no se altere el crecimiento de los microorganismos.. La posible interacción entre el material de soporte y las bacterias anaerobias, ha sido analizada por J.J. Heijuen (1984), quien establece que la adhesión se debe principalmente al llamado glycocalix, lo que hace inespecífica la superficie de adherencia.. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(32) 28 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. El material de la tubería tiene poco e ningún efecto sobre el desarrollo de la biopelícula. Una tubería de acero es tan susceptible como una de plástico. De acuerdo con Mayette (1992), “no se ha descubierto aún, un material al cual los microorganismos no puedan adherirse. Los estudios han demostrado que los microbios se adhieren al acero, al teflón, al PVC y al PVDF (Kynar) con igual resultado”.. Sin embargo, la tasa de crecimiento de la biopelícula está estrechamente relacionada con la rugosidad de la superficie. Investigadores en Suecia como Pederson en 1990, compararon el desarrollo de la biopelícula sobre superficie de acero liso y PVC expuestas a agua potable. De los análisis desarrollados concluyeron que las superficies rugosas tienen mayor área superficial y proveen mayor protección a fuerzas cortantes, por lo tanto la tasa de crecimiento de la película bacterial aumenta a medida que la rugosidad es mayor.. El mayor efecto de influencia en el desarrollo de la biopelícula es el área superficial. A mayor área superficial o mayor superficie de contacto del medio de soporte, habrá un mayor crecimiento de la biopelícula. (Mayette, 1992). La rugosidad superficial es un factor que influye en el desarrollo microbial de la biopelícula. En superficies rugosas, la adherencia de las bacterias pioneras y su posterior desarrollo se realiza mucho más rápidamente que en superficies lisas. Sin embargo a largo plazo, se encuentran condiciones muy similares al comparar la biopelícula generada en una superficie rugosa con la desarrollada en una superficie lisa. (Characklis et al.,1980).. 4.4.4.2. Velocidad de flujo:. La velocidad de flujo puede alterar el crecimiento de la biopelícula, pero no previene la adhesión de las bacterias a la superficie de la tubería. Velocidades de flujo elevadas no previenen el ataque de bacterias ni remueven la biopelícula formada debido a: §. Baja velocidad de flujo en la capa límite: A pesar de la velocidad del agua, ésta tiene su flujo más bajo en las capas adyacentes a las superficies de la tubería. Aun cuando el flujo de agua en el centro de la tubería es turbulento, la velocidad cae a cero en la. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(33) 29 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. pared de la misma. La distancia por fuera de la pared de la tubería en la cual la tasa de flujo no es turbulenta es la denominada subcapa laminar. §. Fuerte adhesión de la biopelícula a la superficie: En sistemas de agua con flujos continuos de alta velocidad, las bacterias que se acumulan en la biopelícula tienden a ser filamentosas (como las pseudomonas). Estas bacterias se anclan a la superficie con exopolímeros pegajosos. (Mittelman, 1985). La velocidad puede ocasionar los siguientes efectos sobre la estructura de la biopelícula: §. Densidad de la biopelícula: De acuerdo a Mittelman (1985), “a mayores tasas de flujo las superficies de la biopelícula a menudo parecen estar libres de material aglutinante.” Sin embargo, la densidad de biomasa,. puede variar mucho. dependiendo de las condiciones físicas y características de los organismos. Elevados esfuerzos mecánicos en la película fija tienden a aumentar la densidad de la misma, mientras que películas fijas anaerobias son más densas, a menudo, que las aerobias. §. Espesor límite de la biopelícula: El espesor máximo de la biopelícula puede ser considerado el espesor de la capa de flujo laminar. En un sistema de flujo constante, “el espesor de equilibrio se logra dependiendo de la velocidad del agua y los nutrientes. El crecimiento de la biopelícula mas allá de la capa laminar resultará al darse la liberación de las células planctónicas pioneras que, si las condiciones lo permiten, establecerá la biopelícula en otra sección de la tubería. En los sistemas que tienen un flujo fluctuante de agua, las bacterias serán desprendidas. (Patterson, 1991).. 4.4.4.3. Nutrientes Limitantes:. Como sucede en otros seres vivos, las bacterias requieren de una cierta concentración de nutrientes para su crecimiento y reproducción. Si se limitan estos nutrientes entonces se limitará el crecimiento bacterial. Rastros de concentraciones de nutrientes son suficientes. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(34) 30 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. para permitir crecimiento y reproducción microbial. Las tuberías PVC y tuberías de polipropileno pueden ser fuentes de carbón orgánico para las bacterias. (Husted, 1994).. 4.4.5. Pérdida de película fija total. La pérdida de película fija total, b’, consiste en tres partes: agotamiento, depredación y separación. El agotamiento se comporta de forma parecida al crecimiento en suspensión y puede representarse por el coeficiente habitual de agotamiento de primer orden, b. La depredación de película fija por protozoos u otras formas de vida superiores no ha sido investigado de forma que conduzca a una representación cuantitativa. La separación de la película fija, es un mecanismo crítico de pérdida de película fija que se ha cuantificado en algunas circunstancias.. b' = b + bsep. ( 4-13 ). bsep = coeficiente de pérdida por separación de película fija (T-1) Las fuerzas mecánicas que actúan en la superficie exterior de la película fija afectan a la separación. bsep aumenta cuando aumentan las fuerzas tangenciales, representadas por la tensión de corte, o fuerzas axiales, representadas por fluctuaciones de presión o abrasión física.. Cuando las películas fijas son suficientemente espesas, las bacterias de su interior más profundo están protegidas de separación y bsep (que es una media de la totalidad de la película fija) disminuye.. Cuando las superficies no son lisas, las películas fijas tienden a acumularse primero en hendiduras que están protegidas del esfuerzo de corte. En algunos casos, bsep se aproximan a cero, siempre que las películas fijas permanezcan sólo en las hendiduras protegidas. Sin embargo, una vez que las películas fijas emergen de las hendiduras y alisan la superficie, las tasas de separación se aproximan a las de las superficies lisas. Cuando la turbulencia es alta, la fluctuación de la presión puede ejercer fuerzas axiales, o perpendiculares a la superficie de la película fija. Estas fuerzas axiales, lo mismo que los. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(35) 31 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. esfuerzos de corte tangenciales se ilustran en la Figura 4-11. Las fuerzas axiales pueden afectar considerablemente a bsep.. Película fija. Esfuerzo de corte Abrasión Portador de sustrato. Turbulencia generada por fluctuaciones de presiones. Figura 4-11. Representación gráfica de fuerzas tangenciales y axiales en la superficie de la película fija. La turbulencia (representada por el número de Reynolds) y la abrasión (representada por la concentración de partículas sólidas), son los factores dominantes que se relacionan positivamente en bsep. La turbulencia y abrasión, ambos son efectos de la energía de disipación añadida por la introducción de flujo de aire.. Los mecanismos de separación descritos anteriormente caen en la categoría de erosión, proceso continuo por el que partes relativamente pequeñas de la película fija son eliminadas de la superficie de la biopelícula. La erosión produce ligeros pero continuos efectos en la acumulación de la película fija. Una categoría diferente de separación es el desprendimiento, o pérdida repentina, intermitente de una porción de película fija. El desprendimiento puede causar cambios drásticos en la acumulación local de película fija. La Figura 4-12 muestra que la erosión sólo se produce en la superficie externa y en pequeñas porciones, mientras que la separación afecta a grandes porciones de la película fija y puede alcanzar a toda su profundidad.. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(36) 32 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. Erosión. MIC 2002-II-35. Desprendimiento. Figura 4-12. Esquema de las diferencias entre los mecanismos de erosión y desprendimiento. Las zonas oscuras representan los “agujeros” de los que la biomasa se perdió por desprendimiento. El desprendimiento no es bien conocido y parece suponer una descomposición en la integridad estructural de la matriz de la película fija. Se considera que las condiciones anaerobias de la porción profunda de la película fija pueden ser una causa del desprendimiento. (Rittmann y McCarty, 2001). 4.4.6. Efecto hidráulico de la formación de biopelículas.. Los microorganismos producen una capa de limo polisacárido que, cuando se forma en la superficie interna de las tuberías, aumenta la resistencia a la fricción derivando en pérdidas de energía o pérdidas de la capacidad hidráulica del sistema de flujo.. La biopelícula no se limita a actividad microbial, incluye la interacción de los microorganismos y la capa de limo con la química de la superficie sólida y el volumen de fluido. Estas interacciones pueden realzar algunos de los comúnmente conocidos fenómenos de biopelícula como la precipitación (ó cristalización) y la corrosión. En este último caso, la capa de la pared consigue una estructura más rígida y el pronunciado incremento en la resistencia a la fricción puede ser explicado por el incremento en la rugosidad equivalente (ks) en la pared de la tubería.. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(37) 33 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. En el caso de las capas de limo microbial, la situación es más compleja. El espesor y la morfología de las capas de limo son funciones de las condiciones de operación. Un cambio en las condiciones de operación, como un incremento en el esfuerzo cortante en la pared, puede provocar cambios importantes en la morfología y el espesor de la biopelícula, hasta cambiar el valor de la rugosidad equivalente. Además, la naturaleza viscosa-elástica de la capa de limo y su morfología filamentosa sugiere que quizá, mecanismos de disipación adicional, contribuyen al incremento de la resistencia a la fricción. Por lo tanto, la descripción del efecto de la biopelícula por un valor único de rugosidad equivalente puede ser inadecuado sobre el rango completo de condiciones de operación. (Characklis et al., 1980).. 4.4.6.1. Resistencia a la fricción:. El incremento en la resistencia del fluido a la fricción debido a la acumulación de biopelícula durante experimentos de tasa de flujo constante, causa un incremento en la presión y en los requerimientos de energía para bombeo.. Si la presión se mantiene constante la capacidad de flujo se reduce. La resistencia a la fricción puede ser representada por un factor de fricción sin dimensión dado por:. f = 2 .0. d ∆P L ρ wv 2. ( 4-14 ). en la cual, f: Factor de fricción d: Diámetro del tubo ρw: Densidad del fluido. v : Velocidad de flujo promedio ∆P: Cambio de presión a lo largo de la longitud L: Longitud entre puntos de presión.. El factor de fricción está relacionado con el número de Reynolds y el rugosidad equivalente, ks, a través de la ecuación empírica de Colebrook-White. Esta ecuación provee una buena relación para el factor de fricción versus el número de Reynolds para. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(38) 34 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. diversas tuberías comerciales, a través de los regímenes hidráulicamente liso, de transición y turbulento.. Characklis et al, en una investigación realizada en 1980, comprobaron que en todos los experimentos realizados sobre el efecto hidráulico de la formación de biopelícula en tuberías, el ks se incrementa con el tiempo, demostrando la dependencia del ks sobre el espesor de la biopelícula.. La determinación del régimen de flujo (laminar, de transición o turbulento) depende de la magnitud de ks de acuerdo al tamaño de la subcapa viscosa (δ1); δ1 dado por:. 10d  f  δ1 =   R 2. −0.5. ( 4-15 ). Más concretamente, cuando ks < δ1, la tubería es considerada hidráulicamente lisa; cuando 14δ1 > ks > δ1, el flujo está en el régimen transicional; y cuando ks > 14δ1 el flujo es turbulento.. Los resultados de la investigación muestran que la resistencia a la fricción producida por la acumulación de biopelícula puede ser sustancial. Se han considerado los siguientes mecanismos que pueden contribuir a este marcado incremento en la resistencia a la fricción:. 1. Reducción en el área disponible en la sección transversal de la tubería, causada por la acumulación de biopelícula. 2. Cambio en el viscosidad del fluido debido a la presencia de macromoléculas disueltas generadas por la biopelícula. 3. Disipación viscosa dentro de la biopelícula, debido a su flujo lento aguas abajo. 4. Disipación viscosa dentro de la biopelícula, debido a su naturaleza viscosa-elástica, como resultado de oscilaciones iniciadas por el flujo turbulento. 5. Incremento de la disipación en el fluido debido al incremento de la rugosidad de la superficie, como resultado de una acumulación de biopelícula.. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(39) 35 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. 6. Incremento de la disipación en el fluido debido a la presencia de filamentos de biopelícula.. Del estudio realizado por Characklis et al. en 1980, se concluyó lo siguiente: §. El efecto de la reducción en el diámetro del tubo por la acumulación de biopelícula es mínimo.. §. El factor de fricción en una tubería con una superficie rígida y rugosa depende tanto de la rugosidad relativa como del número de Reynolds.. §. La resistencia a la fricción depende del espesor de la biopelícula.. §. El factor de fricción aumenta con el espesor de la biopelícula después de un espesor crítico aproximadamente igual al espesor de la subcapa viscosa obtenida.. §. El espesor crítico corresponde al estado de desarrollo de la biopelícula donde las irregularidades de la superficie salen a través de la capa viscosa.. §. La rugosidad equivalente de la arena depende del espesor de la biopelícula.. §. Una porción importante de la resistencia a la fricción es atribuida a la acción de los filamentos de la biopelícula.. La dificultad en determinar la dependencia de ks, en el espesor de la biopelícula puede ser debida a una de las siguientes razones:. 1. La medición del espesor de la biopelícula es una medición promedio y no mide la altura actual de los picos de rugosidad. El espesor promedio de la biopelícula puede ser menor que cualquier pico de rugosidad de la biopelícula. 2. El desagüe en el tubo para la medición del espesor de la película bacterial, puede descender el volumen de la biopelícula y disminuir el espesor de la misma. El espesor real de la biopelícula puede ser mayor tomando la muestra in-situ y con la película biológica saturada con agua. 3. La rugosidad equivalente, ks, depende de los picos de rugosidad, pero esto no es numéricamente igual a su tamaño. No es inusual que la rugosidad equivalente sea mayor que los picos de rugosidad.. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(40) 36 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. 4.5. MIC 2002-II-35. PARÁMETROS DE CONTROL. Se debe realizar un seguimiento de la calidad del agua residual, teniendo en cuenta principalmente los parámetros químicos de DQO y pH, con el fin de asegurar el adecuado crecimiento de la biopelícula.. 4.5.1. Demanda química de oxígeno (DQO).. El ensayo de la DQO se emplea para medir el contenido de materia orgánica tanto de las aguas naturales como de las residuales. La DQO es la medida del oxígeno requerido para oxidar el contenido de materia orgánica de una muestra que es susceptible a un oxidante químico fuerte.. Para determinar la cantidad de oxígeno necesaria para oxidar químicamente la materia orgánica de las aguas residuales, éstas deben ser oxidadas por un agente oxidante (dicromato de potasio) en un medio ácido (ácido sulfúrico) y en la presencia de un catalizador (sulfato de plata o sulfato de mercurio). En el caso de emplear dicromato de potasio como agente oxidante, la principal reacción química que tiene lugar puede expresarse, de manera esquemática, del siguiente modo: catalizador Materia orgánica (C a H b Oc ) + Cr2 O7−2 + H +  → Cr +3 + CO2 + H 2 O. La determinación se hace a altas temperaturas utilizando condensadores de reflujo, que evitan el escape de materias orgánicas volátiles durante la digestión.. Tiene como ventaja sobre la DBO, el poco tiempo requerido para su realización, ya que toma solamente 3 horas, a diferencia del ensayo para determinar la DBO que requiere de 5 días. Otra de las ventajas de un ensayo de DQO es la de poder oxidar casi complemente todos los compuestos orgánicos a CO2 y H2O, mientras que durante la DBO hay sustancias orgánicas como la lignina que no son oxidables por procesos biológicos.. En consecuencia, los valores de la DQO son mayores que los de la DBO y la diferencia aumenta con la presencia de materia orgánica biológicamente resistente. Teniendo en cuenta que la relación DBO/DQO para un mismo tipo de agua residual es relativamente. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(41) 37 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. constante se puede estimar con certeza el rango en el cual se encuentra el valor de la DBO a partir del dato de DQO. (Metcalf and Eddy, 1995). 4.5.2. Concentración de iones hidrógeno (pH).. La intensidad de acidez o alcalinidad de una muestra es medida en la escala de pH, la cual cuantifica actualmente la concentración de iones de hidrógeno presente. La concentración de ion hidrógeno presente en el agua está muy estrechamente relacionada con la cuantía en que se disocian las moléculas de agua. El agua es sólo ionizada débilmente, y se disocia en iones hidroxilo e hidrógeno del siguiente modo:. H 2O → H + + OH Dado que esta relación puede ser satisfecha por toda la solución acuosa diluida, la naturaleza ácida o básica de la solución puede ser especificada por un parámetro – la concentración de iones de hidrógeno. Esta es expresada por la función pH:. [ ]. pH = − log 10 H + = log 10. 1 H+. [ ]. resultando en una escala de 0 a 17, con un valor de 7 como neutralidad, por debajo de 7 es ácido y por encima de 7 es alcalino.. El pH es un parámetro de calidad de gran importancia tanto para el caso de aguas naturales como residuales. Muchas reacciones químicas son controladas por el pH. El intervalo de concentraciones óptimo para la adecuada proliferación y desarrollo de la mayor parte de la vida biológica es bastante estrecho y crítico, la actividad biológica es usualmente restringida a un rango de pH bastante angosto: de 6 a 8. El pH es el factor determinante que condiciona el tipo de microfauna que puede habitar en determinado medio. Para favorecer la formación de la biopelícula el pH debe estar entre 6.7 y 7.5 unidades en el agua residual. (Metcalf and Eddy, 1995). Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(42) 38 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. MIC 2002-II-35. 5. METODOLOGIA. 5.1. MODELO HIDRÁULICO. El modelo hidráulico pretende explicar el desarrollo de los perfiles gradualmente variado, y definir el coeficiente de rugosidad de Manning como el parámetro que explica la disipación de la energía en el flujo de canales abiertos. Como el propósito de esta investigación es la calibración del Coeficiente de Manning para las tuberías NOVALOC en presencia de biopelícula adherida a diferentes medios de soporte, se desarrolla el modelo hidráulico que permita describir tal disipación, además de explicar el movimiento del flujo dentro de la tubería. A continuación se describe la estructura matemática para la determinación del Coeficiente de Manning.. 5.1.1 5.1.1.1. Modelación Matemática Ecuación de Continuidad:. El primer elemento para desarrollar la modelación del flujo en canales abiertos, es el que describe la acumulación de la masa del fluido por cada unidad de longitud. La ecuación de continuidad rige cuánta masa debe moverse en cada unidad de tiempo por unidad de longitud y se establece como sigue:. ∂Q ∂A + =0 ∂t ∂x. ( 5-1 ). donde Q es el caudal y A el área mojada. Para el caso de las pruebas realizadas, no se considera que hayan variaciones del caudal ni de las profundidades en el tiempo por lo tanto la forma de la ecuación de continuidad es:. ∂Q =0 ∂t. Ai Vi − Ai +1 Vi +1 = 0. ( 5-2 ). donde Ai y Vi son el área mojada y la velocidad media del flujo en el tramo i.. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.

(43) 39 Efecto Hidráulico de Estructuras de Soporte de Biopelículas en Tuberías de Alcantarillado. 5.1.1.2. MIC 2002-II-35. Ecuación de Cantidad de Movimiento:. El elemento que explica la cantidad de moviendo del fluido dentro de la tubería está basado en la segunda Ley de Newton, que simplemente se desarrolla en un balance de cantidad de movimiento tal como sigue:. 1 ∂  Q2  ∂Y g   = ( So − S f ) g − A ∂x  A  ∂x. ( 5-3 ). donde Q es el caudal, A el área mojada, Y la profundidad de la lámina de agua, So y Sf términos de pendiente del canal y fricción respectivamente.. 5.1.1.3. Ecuación de Energía:. Como elemento que describe la conservación del potencial de movimiento y de las disipaciones por fricción se tiene la ecuación de conservación de energía entre tramos consecutivos:. Vi2+1 Vi2 − = ( So − S f ) ∆x − (Yi +1 − Yi ) 2g 2g. ( 5-4 ). donde Yi y Yi+1 son las profundidades de la lámina de agua en tramos consecutivos, Vi y Vi+1 las velocidades medias respectivas en tales tramos y So, Sf las pendientes del canal y fricción. La ecuación ( 5-4 ) es una versión en diferencias finitas de la ecuación ( 5-3 ).. 5.1.1.4. Ecuación de Flujo Gradualmente Variado (FGV):. Al desarrollar los términos de la ecuación ( 5-3 ) se configura la ecuación que describe la variación de la profundidad de la lámina de agua en Flujo Gradualmente Variado.. El término de flujo neto de cantidad de movimiento (aceleración convectiva) se puede expresar también, como:. Universidad de los Andes. Luz Angela Otero Uribe.