Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Proyecto de Grado Ing. Civil
Óscar Roberto Díaz Duque
La influencia del material de las tuberías en el crecimiento de películas
bacterianas
Asesor:
Juan Guillermo Saldarriaga
i
Agradecimientos
Siendo este trabajo el proyecto de grado para obtener el título de ingeniería civil, agradezco a mis padres por todo el apoyo y confianza brindada a lo largo de estos años que me permitieron, gracias a la educación que me inculcaron, convertirme en la persona que soy y ser consciente de las capacidades que puedo llegar a tener. La realización de este proyecto fue posible gracias a la asesoría del profesor Juan Guillermo Saldarriaga, quien fue el encargado de guiar durante estos últimos seis meses el proyecto y del cual sólo me queda respeto y admiración por su labor tanto en el contexto académico como en el personal. También agradezco a Jhon Calvo por su colaboración en el Laboratorio de Hidráulica y a Juliana Martínez del Centro de Investigaciones en Ingeniería Ambiental, con su ayuda la realización de las distintas pruebas fue posible. Por último quiero manifestar mi gratitud a todas las personas que hicieron parte de esta etapa de mi vida: aquellos profesores de los que tuve la oportunidad de aprender, a mis compañeros que de alguna forma u otra estuvieron cuando los necesité y, en general, a todas las personas que hacen parte de la comunidad universitaria.
ii
Contenido
1. Introducción ... 1
2. Objetivos ... 4
2.1. Objetivo general ... 4
2.2. Objetivos específicos ... 4
3. Antecedentes ... 5
4. Marco Teórico ... 9
4.1. Ámbito Microbiológico ... 9
4.1.1. Definición de biopelícula ... 9
4.1.2. Crecimiento y formación microbiológica ... 9
4.1.3. Características de los materiales en tuberías de redes de distribución ... 11
4.1.4. Metodología de medición ... 11
4.2. Ámbito Hidráulico ... 12
4.2.1. Propiedades del agua en función de la temperatura ... 12
4.2.2. Número de Reynolds y Régimen de flujo ... 16
4.2.3. Pérdidas por fricción ... 19
4.2.4. Factor de fricción y Diagrama de Moody ... 20
5. Modelo Físico ... 23
5.1. Componentes del modelo ... 23
5.2. Operación del modelo ... 30
6. Procedimiento Experimental ... 32
6.1. Calibración de Vertederos ... 32
6.2. Recirculación, volumen de agua, cloración, temperatura y alimentación del sistema .... 35
6.3. Pruebas Microbiológicas ... 40
6.3.1. Estimación del espesor de la biopelícula ... 40
6.3.2. Recuento de Microorganismos ... 43
6.4. Pruebas Hidráulicas ... 44
iii
7.1. Pruebas Microbiológicas ... 47
7.1.1. Espesor de la biopelícula ... 47
7.1.2. Recuento de microorganismos... 52
7.2. Pruebas Hidráulicas ... 54
7.2.1. Tubería de PVC ... 55
7.2.2. Tubería de Acero Galvanizado ... 58
7.2.3. Tubería de Polietileno ... 60
8. Discusión ... 62
8.1. Descripción de los resultados ... 62
8.2. Comparación de resultados: Resumen de la influencia del material ... 66
9. Conclusiones ... 69
10. Recomendaciones ... 73
11. Bibliografía ... 75
12. Anexos ... 77
12.1. Anexo 1: Mediciones de la calibración de los vertederos ... 77
12.2. Anexo 2: Características geométricas de los componentes del sistema ... 80
iv
Índice de Ecuaciones
Ecuación 1. Peso de la biomasa en los testigos. ... 12
Ecuación 2. Espesor de la biopelícula. ... 12
Ecuación 3. Velocidad de desarrollo de la biopelícula. ... 12
Ecuación 4. Espesor promedio en testigos de centro. ... 12
Ecuación 5. Densidad del agua. ... 14
Ecuación 6. Viscosidad Cinemática del agua. ... 15
Ecuación 7. Viscosidad Dinámica. ... 15
Ecuación 8. Número de Reynolds. ... 17
Ecuación 9. Subcapa Laminar Viscosa. ... 18
Ecuación 10. Velocidad de Corte ... 18
Ecuación 11. Relación entre el Esfuerzo Cortante y la caída de altura piezométrica (hf). ... 19
Ecuación 12. Fórmula de Darcy-Weisbach ... 20
Ecuación 13. Factor de Fricción (f) en la fórmula de Darcy-Weisbach ... 20
Ecuación 14. Factor de Fricción en Flujo Laminar. ... 21
Ecuación 15. Ecuación de Prandtl-Von Kárman para Flujo Turbulento Hidráulicamente Liso. ... 21
Ecuación 16. Ecuación de Prandtl-Von Kárman para Flujo Turbulento Hidráulicamente Liso reformada. ... 21
Ecuación 17. Ecuación de Prandtl-Von Kárman para Flujo Turbulento Hidráulicamente Rugoso. ... 21
Ecuación 18. Ecuación de Prandtl-Von Kárman para Flujo Turbulento Hidráulicamente Rugoso reformada. 21 Ecuación 19. Fórmula de Colebrook-White. ... 21
Ecuación 20. Rugosidad Absoluta (ks) en la fórmula de Colebrook-White ... 22
v
Índice de Tablas
Tabla 1. Variables importantes en la adhesión celular para la formación de biopelículas (Dolan, 2002). ... 10
Tabla 2. Propiedades del agua líquida a diferentes temperaturas (Saldarriaga J. G., 2007). ... 13
Tabla 3. Régimen de flujo según el número de Reynolds (Saldarriaga J. G., 2007). ... 17
Tabla 4. Régimen de flujo turbulento según la rugosidad absoluta y el espesor de la subcapa laminar. ... 19
Tabla 5. Resultados calibración de los vertederos y características de operación. ... 35
Tabla 6. Ecuaciones para calcular el caudal. ... 35
Tabla 7. Cálculo del volumen total de agua en el montaje. ... 35
Tabla 8. Rango de las propiedades del agua en el sistema. ... 39
Tabla 9. Cronograma de pruebas microbiológicas en testigos: año 2013. ... 41
Tabla 10. Dimensiones de los testigos... 43
Tabla 11. Formato de recolección de datos para pruebas hidráulicas. ... 46
Tabla 12. Análisis individual del comportamiento de la biopelícula en cada testigo de la tubería de PVC. .... 50
Tabla 13. Análisis individual del comportamiento de la biopelícula en cada testigo de la tubería de Acero Galvanizado. ... 51
Tabla 14. Análisis individual del comportamiento de la biopelícula en cada testigo de la tubería de Polietileno... 51
Tabla 15. Resultados de las pruebas microbiológicas: Recuento de UFC. ... 54
Tabla 16. Rugosidad Absoluta promedio en las mediciones sobre la tubería de PVC... 57
Tabla 17. Rugosidad Absoluta promedio en las mediciones sobre la tubería de acero galvanizado. ... 59
Tabla 18. Rugosidad Absoluta promedio en las mediciones sobre la tubería de polietileno. ... 61
Tabla 19. Comparación de la preferencia de formación de la biopelícula según el material... 66
Tabla 20. Mediciones de la calibración del vertedero de la tubería de PVC (Navarrete Rodríguez, 2012). ... 77
Tabla 21. Mediciones de la calibración del vertedero de la tubería de acero galvanizado (Navarrete Rodríguez, 2012)... 78
Tabla 22. Mediciones de la calibración del vertedero de la tubería de polietileno. ... 79
Tabla 23. Dimensiones de los tanques y vertederos (Navarrete Rodríguez, 2012). ... 80
Tabla 24. Dimensiones de las tuberías (Navarrete Rodríguez, 2012). ... 81
vi
Índice de Gráficas
Gráfica 1. Biomasa presente en tuberías discriminada por tipo de material (Niquette Patrick P. S., 2000). ... 11
Gráfica 2. Comportamiento de la densidad del agua en función de la temperatura. ... 14
Gráfica 3. Comportamiento de la viscosidad cinemática del agua en función de la temperatura. ... 15
Gráfica 4. Comportamiento de la viscosidad dinámica del agua en función de la temperatura. ... 16
Gráfica 5. Diagrama de Moody (Raulsmtz & Wordpress, 2011). ... 22
Gráfica 6. Curva de calibración vertedero PVC (Navarrete Rodríguez, 2012). ... 33
Gráfica 7. Curva de calibración vertedero Acero Galvanizado (Navarrete Rodríguez, 2012). ... 33
Gráfica 8. Curva de calibración vertedero Polietileno. ... 34
Gráfica 9. Curva de Concentración de Cloro. ... 37
Gráfica 10. Curva del rango de temperatura del agua en el sistema. ... 38
Gráfica 11. Comportamiento de la biopelícula en testigos de borde. ... 47
Gráfica 12. Comportamiento de la biopelícula en testigos de centro. ... 48
Gráfica 14. Comportamiento de la velocidad de desarrollo de las biopelículas en testigo de borde. ... 49
Gráfica 13. Comparación del crecimiento de la biopelícula en testigos de borde y de centro ... 49
Gráfica 15. Ubicación de los datos experimentales en el diagrama de Moody para la tubería de PVC. ... 55
Gráfica 17. Efecto de la biopelícula sobre la rugosidad relativa en la tubería de PVC. ... 56
Gráfica 16. Comportamiento de los resultados experimentales de la tubería de PVC en el diagrama de Moody. ... 56
Gráfica 18. Ubicación de los datos experimentales en el diagrama de Moody para la tubería de acero galvanizado. ... 58
Gráfica 19. Comportamiento de los resultados experimentales de la tubería de acero galvanizado en el diagrama de Moody. ... 58
Gráfica 20. Efecto de la biopelícula sobre la rugosidad absoluta en la tubería de acero galvanizado. ... 59
Gráfica 21. Ubicación de los datos experimentales en el diagrama de Moody para la tubería de polietileno. 60 Gráfica 22. Comportamiento de los resultados experimentales de la tubería de polietileno en el diagrama de Moody. ... 60
Gráfica 23. Efecto de la biopelícula sobre la rugosidad absoluta en la tubería de polietileno. ... 61
Índice de Figuras
Figura 1. Formación de biopelícula en tuberías (Hernández M. X., 2010). ... 10Figura 2. Plano del montaje: vista en planta (Navarrete Rodríguez, 2012). ... 23
Figura 3. Plano del montaje: vista lateral (Navarrete Rodríguez, 2012). ... 24
vii
Índice de Fotografías
Fotografía 1. Modelo físico aguas arriba. ... 24
Fotografía 2. Modelo físico aguas abajo. ... 24
Fotografía 3. Rebose del tanque elevado (Navarrete Rodríguez, 2012). ... 25
Fotografía 4. Vertedero triangular móvil. ... 25
Fotografía 5. Disposición de los piezómetros en las tuberías. ... 26
Fotografía 6. Disposición externa de los testigos en las tres tuberías. ... 28
Fotografía 7. Aspecto interno de los testigos. ... 28
Fotografía 8. Tablero Piezométrico (Navarrete Rodríguez, 2012). ... 29
Fotografía 9. Sensor diferencial de presión. ... 29
Fotografía 10. Motobomba. ... 30
Fotografía 11. Válvulas de 4 pulgadas tipo cortina. ... 30
Fotografía 12. Caudalímetro. ... 34
Fotografía 13. Método de instalación a la tubería. ... 34
Fotografía 14. Colorímetro de Cloro Libre. ... 37
Fotografía 15. Fuente de nutrientes para los microorganismos: Pasto Kikuyo (Vargas Castilla, 2012). ... 39
Fotografía 16. Pesaje de testigo en prueba microbiológica. ... 42
Fotografía 17. Perspectiva interna de la tubería de PVC. ... 43
Fotografía 18. Recuento de microorganismos heterótrofos en tubería de PVC: Prueba 1 (CIIA, 2013). ... 52
Fotografía 19. Recuento de microorganismos heterótrofos en tubería de PVC: Prueba 2 (CIIA, 2013). ... 52
Fotografía 21. Recuento de microorganismos heterótrofos en tubería de acero galvanizado: Prueba 2 (CIIA, 2013)... 53
Fotografía 20. Recuento de microorganismos heterótrofos en tubería de acero galvanizado: Prueba 1 (CIIA, 2013)... 53
Fotografía 22. Recuento de microorganismos heterótrofos en tubería de polietileno: Prueba 1 (CIIA, 2013). ... 53
Fotografía 23. Recuento de microorganismos heterótrofos en tubería de polietileno: Prueba 2 (CIIA, 2013). ... 53
1
1.
Introducción
Durante las últimas décadas el tema del crecimiento de biopelículas en redes de distribución de agua potable ha sido sustancialmente estudiado. Se han llevado a cabo estudios acerca de sus características en distintos tipos de flujo, con diferentes condiciones de operación, llegando a resultados importantes. En la Universidad de los Andes, este tema se ha venido desarrollando hace varios años atrás, a través de diversos proyectos de grado realizados por estudiantes y por el Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados (CIACUA), centro especializado en recursos hídricos e hidráulicos. En este trabajo se pretende continuar la indagación de este tema, utilizando el conocimiento adquirido previamente, para de esta forma complementar esta línea de investigación. Gracias a mecanismos de potabilización en plantas de tratamiento, el agua que es enviada a través de una red de tuberías subterráneas a la población, cuenta con características que permiten al ser humano ingerirla sin generar efectos dañinos sobre su salud. Sin embargo ha sido posible evidenciar cómo, durante el recorrido de la red hacia el usuario, el agua sufre cambios negativos en sus cualidades físicas y en su composición química. Este efecto ha sido atribuido al crecimiento de microorganismos en las paredes internas de las tuberías, en donde a partir de diversas fuentes, la materia orgánica es utilizada como alimento para sobrevivir. La principal fuente es la materia orgánica residual del proceso de potabilización en las plantas de tratamiento de agua potable (PTAP) (Navarrete Rodríguez, 2012). Estos organismos se agrupan en biopelículas en el interior de las tuberías y esta configuración es su manera óptima de subsistencia, lo cual representa un problema de salud pública, pues tienen la capacidad de generar tanto propiedades organolépticas indeseables (color, olor), como la subsistencia de organismos patógenos perjudiciales para la vida (Batté, et al., 2003). El peligro existente en las redes de distribución, es la factibilidad de que estas biopelículas se desprendan de la tubería gracias a esfuerzos cortantes, y afecten la calidad del agua que posteriormente va a ser consumida por los beneficiarios de la red. Gracias a esto se ve la necesidad de establecer claramente el comportamiento de las biopelículas en tuberías con diferentes tipos de materiales, identificando su tasa de crecimiento y grado de afectación, a fin de evitar que esto siga ocurriendo en el futuro en las redes de distribución,
2 y de esta manera contribuir a que ocurran menor cantidad de problemas de salud ocasionados por el agua “potable” proporcionada por la ciudad.
Por otro lado se ha encontrado que las biopelículas tienen la capacidad de afectar el comportamiento hidráulico de una tubería. En general, generan rugosidades que perjudican el flujo de agua, haciendo que se requiera, tanto un análisis hidráulico más detallado, como una mayor potencia para llevar el agua a todos los destinos necesarios (CIACUA, 2004). Las rugosidades que generan las biopelículas son sustancialmente mayores a aquellas asociadas con la operación inicial de las tuberías. Así, al tener un mejor conocimiento del comportamiento de los microorganismos, es posible utilizar la infraestructura en mejor manera y reducir los costos asociados con la operación.
A través de un modelo físico compuesto por tres tuberías paralelas de distintos materiales y con la misma longitud, adaptadas para permitir el flujo de agua dentro de ellas, se desarrollaron las diferentes pruebas para poder obtener un análisis experimental y cuantitativo de la teoría asociada. Este modelo pretende simular un fragmento de tubería típica de una red de distribución de agua potable, por medio de la recreación de características normales de operación de este tipo de sistemas. En las pruebas se utiliza agua potable con constante adición de cloro, manteniendo los niveles de concentración permisibles, en donde actúa como desinfectante evitando así la contaminación del agua con organismos perjudiciales para la salud, causada por la formación de los mismos en el interior de las tuberías. De la misma manera, es abastecida de pasto que simboliza la fuente de nutrientes para los microorganismos, garantizando la alimentación suficiente para su desarrollo. Considerando la oferta de materiales en el mercado, se optó por una tubería de PVC, una de acero galvanizado y una de polietileno. A partir de pruebas en estos materiales se espera poder describir en mejor medida el comportamiento de las biopelículas en tuberías, teniendo en cuenta que el crecimiento de las mismas es inevitable. Adicionalmente se pretende identificar el material con mayor aptitud para ser utilizado en las redes de acueducto.
Las pruebas realizadas se pueden dividir en dos ámbitos distintos: el hidráulico y el microbiológico. En cuanto al primero, se realizaron pruebas de caída de presión con
3 piezómetros instalados a lo largo de la tubería. También por medio de vertederos se realiza la medición del caudal, el cual está sujeto a variaciones por medio de válvulas que regulan el flujo del agua. Para el segundo campo se realizaron mediciones del espesor de la biopelícula y el recuento de las unidades formadoras de colonias (UFC) que se desarrollan dentro de las tuberías del modelo. Paralelamente se realizaron mediciones de parámetros que determinan el comportamiento hidráulico y microbiológico como la temperatura y la concentración de cloro.
Teniendo las condiciones indicadas, en el modelo, reguladas, se lleva a cabo una recirculación del agua en el sistema, y se hacen las observaciones y experimentos mencionados en el trascurso del tiempo, el cual debe ser suficiente para que en las tuberías se dé el crecimiento de la biopelícula. Proceso que empieza inmediatamente con el flujo de agua dentro de los tubos, pero que requiere un tiempo determinado para mostrar características físicas observables. Con las diferentes mediciones se llevará a cabo un análisis y comparación del comportamiento de las películas bacterianas en las paredes internas de las tuberías en algunos de los materiales de mayor utilización en la distribución de agua potable. El análisis hidráulico se hará con las fórmulas propuestas por Darcy-Weisbach para las pérdidas por fricción, y la de Colebrook-White para definir el flujo del agua en función de sus características geométricas y estructurales.
4
2.
Objetivos
2.1.Objetivo general
Hallar la influencia del material sobre el crecimiento de biopelículas en tuberías con agua potable con un alto contenido de carbono orgánico disuelto biodegradable (pastos).
2.2.Objetivos específicos
Llevar a cabo la operación del modelo físico de tuberías compuestas por diferentes materiales y entablar un crecimiento bacteriano en cada una de ellas.
Realizar mediciones de la cantidad de bacterias que se forman en cada tubería utilizada.
Encontrar el efecto de las biopelículas sobre la rugosidad de las tuberías a través de mediciones de caída de presión y su análisis por medio del comportamiento del fluido descrito por Darcy-Weisbach y Colebrook-White principalmente.
Establecer tanto una demanda de cloro, como una alimentación de contenido orgánico para el crecimiento de la película bacteriana.
Identificar las diferencias en el crecimiento de la biopelícula en cada uno de los materiales cualitativa y cuantitativamente, realizando una recomendación sobre la utilización de los mismos en redes de distribución de agua potable.
Complementar en el tema de la formación de biopelículas en tuberías llevando a cabo una comparación con estudios previos realizados y otros sistemas con características similares.
5
3.
Antecedentes
Este trabajo representa una continuación del proyecto de grado realizado por Sandra Carolina Navarrete: “Modelación física de biopelículas en redes de distribución de agua potable alimentadas con carbono orgánico disuelto” (Navarrete Rodríguez, 2012), puesto que es utilizado el mismo modelo construido e implementado por ella con algunos elementos agregados. La importancia de la continuación reside en la observación y experimentación del sistema a lo largo de un prolongado periodo de tiempo, a fin de obtener un mayor entendimiento de la biopelícula y su crecimiento en diferentes etapas de su vida. A partir de los análisis del anterior proyecto, se espera continuar con la investigación para de esta forma ampliar el conocimiento en el tema. De la misma manera, posterior a este trabajo, es importante continuar con la investigación de este sistema puesto que las redes de acueducto tienen una vida útil extensa y su comportamiento es dinámico en el tiempo. Así, se tendría un análisis del modelo en su etapa inicial con el trabajo de Carolina Navarrete, durante los primeros días de operación. Luego, en este trabajo, una etapa intermedia transcurrida durante el primer año de recirculación en las tuberías y por último, posibles trabajos subsecuentes durante los siguientes años.
El proyecto de grado previamente descrito no ha sido el único en indagar sobre este tema en la Universidad de los Andes. Se han realizado diversos estudios sobre las biopelículas en tuberías en diferentes modelos compuestos y operados de maneras diferentes. Se han utilizado tuberías hechas de diferentes materiales y diámetros, siendo éstas puestas a prueba con flujos de agua de distintas velocidades y alimentados por diversas fuentes de nutrientes. Por otra parte, esta temática también se ha estudiado años atrás en diferentes partes del mundo, por científicos de diferente origen, lo cual contribuye en gran medida al entendimiento del crecimiento de los microorganismos en tuberías de distribución de agua potable. A continuación se realiza un resumen de trabajos previos aprovechados en el presente proyecto, identificando sus respectivas conclusiones.
Efecto Hidráulico de la Película Biológica sobre el Coeficiente de Rugosidad ks en tuberías de agua potable (CIACUA, 2004) constituye un estudio realizado por la Universidad de los Andes en su Facultad de Ingeniería por medio del convenio
6 realizado entre el CIACUA y la empresa PAVCO en un grupo de investigación denominado Cátedra PAVCO. En éste se llevó un análisis del crecimiento de la biopelícula en tuberías de PVC en donde se registra un aumento acelerado de la rugosidad absoluta a medida que avanza el tiempo, alcanzado un valor un orden de magnitud mayor al encontrado durante la operación inicial del sistema.
Influencia de los materiales de tuberías en la formación de biopelículas (Vargas & Saldarriaga, 2005) elaborado por Andrea Vargas Gamarra, efectúa un análisis muy similar al de este proyecto puesto que en el sistema utilizado se cuenta con tuberías de PVC y de polietileno, los cuales son, actualmente, las principales opciones para la construcción de redes de agua potable. A partir de variadas mediciones se concluye que efectivamente existe un aumento en la rugosidad de las tuberías de estos materiales y hay una mayor colonización de biopelícula en tuberías de polietileno que en las de PVC.
Efecto Hidráulico de las biopelículas en tuberías de distribución de agua potable
(Latorre, 2005)realizado en el 2005. En éste se efectuó un análisis de la rugosidad absoluta afectada por el crecimiento de películas bacterianas a partir de un modelo compuesto por tres tuberías de diferentes materiales: PVC, polietileno de media densidad (MDPE) y hierro. El suministro de nutrientes se realiza a través de fosfato diamónico como fuente de nitrógeno y fósforo, y glucosa como fuente orgánica. Se encontró que las biopelículas tienen una mayor adherencia al PVC que al MDPE indicando una mayor afectación sobre el valor de la rugosidad absoluta en la primera. Sin embargo, se establece que el regeneramiento de la biopelícula es mayor en la tubería de MDPE.
“Influencia de la fuente de carbono en el desarrollo de biopelículas y su efecto
hidráulico en sistemas de distribución de agua potable (Hernández M. X., 2010) presentado por María Ximena Hernández: describe que el crecimiento bacteriano en la tubería depende del material de la misma lo cual afecta directamente las pérdidas
7 de energía generadas en el sistema. Concluye que el aumento en el factor de fricción es mayor en tuberías de CCP, que en tuberías de polietileno y PVC” (Navarrete Rodríguez, 2012).
“Modelación Física de biopelículas en redes de distribución de agua potable
alimentadas con carbono orgánico disuelto (Trujillo, 2011) presentado por María Ximena Trujillo: concluye que el crecimiento de biopelículas depende de la velocidad de flujo a causa de la transferencia de masa entre los nutrientes del agua y la biopelícula, con lo cual a medida que la velocidad en el sistema aumenta, el crecimiento de biopelícula en el mismo también. Adicionalmente, encuentra que la variación del factor de fricción frente al Número de Reynolds no se relaciona por medio del diagrama de Moody debido a las propiedades visco-elásticas de la biopelícula que le permite deformarse absorbiendo o liberando energía” (Navarrete Rodríguez, 2012).
Biopelículas alimentadas con CODB mediante pastos: dinámica de crecimiento y
desprendimiento en sistemas de distribución de agua potable (Vargas Castilla, 2012). Este fue el proyecto de grado de Tatiana Vargas en el 2012, como continuación al trabajo mencionado previamente de María Ximena Trujillo. En este se analiza un modelo de tuberías de PVC con flujos de agua de distintas velocidades, encontrando y confirmando lo encontrado por María Trujillo en donde se observa que entre mayor sea la velocidad (dentro del rango indicado), mayor es el crecimiento de las biopelículas. Adicionalmente realiza comparaciones entre modelos proporcionados por diferentes fuentes de alimento para los microorganismos estableciendo un mayor crecimiento con fuentes como pastos representando carbón orgánico disuelto biodegradable, sobre fuentes como fosfato diamónico (DAP) o glucosa.
Modelación física de biopelículas en redes de distribución de agua potable
alimentadas con carbono orgánico disuelto (Navarrete Rodríguez, 2012). Este trabajo realizado por Carolina Navarrete representa la fase previa a la presente
8 investigación. Durante su realización, se construyó el modelo inicialmente de dos tuberías paralelas: una de PVC y otra de acero galvanizado y al mismo tiempo se realizaron adecuaciones para instalar un tercer tubo de polietileno. Asimismo se realizaron mediciones sobre las dos tuberías iniciales encontrando una alta tasa de crecimiento bacteriano en las paredes internas durante los primeros días de operación. Con mayor acumulación y concentración de microorganismos en aquella tubería elaborada de acero que en la de PVC. Adicionalmente, de este trabajo se extraen las curvas de calibración de los vertederos de las primeras dos tuberías, ya que representa el mismo sistema.
9
4.
Marco Teórico
Antes de mostrar el proceso de experimentación y desarrollo tanto de las pruebas como del modelo, es necesaria una revisión bibliográfica que permita entender la teoría asociada con el crecimiento de biopelículas en tuberías y su afectación sobre la rugosidad absoluta de los materiales. De este modo, se divide el marco teórico en dos grandes capítulos: ámbito microbiológico y ámbito hidráulico. En el primero se definirá el conocimiento acerca de la biopelícula generada por microorganismos y la metodología de medición de la misma, mientras que en el segundo se detallarán aquellas ecuaciones utilizadas con el fin de determinar el comportamiento hidráulico del agua en las tuberías. Sin embargo, como este trabajo, en general, representa una continuación de esfuerzos realizados por varias personas, la información teórica presentada acopla de forma sucinta lo encontrado por ellas, con el fin de evitar la reiteración y centrarse en mayor medida en la comparación de los resultados pues el marco teórico debería ser similar en todos los trabajos realizados.
4.1.Ámbito Microbiológico
4.1.1.Definición de biopelícula
La biopelícula es un conjunto de microorganismos que han llevado a cabo un proceso de acumulación. Se agrupan para poder subsistir pues esta configuración es la más adecuada para su reproducción y formación. En la biopelícula se pueden encontrar diferentes tipos de microorganismos: bacterias, hongos, virus, bacilos, etc. Al realizar una comunidad, generan una matriz polimérica que les da protección. Esta matriz se puede adherir fácilmente a cualquier tipo de superficie, viva o inerte (CIACUA, 2009; Navarrete 2012).
4.1.2.Crecimiento y formación microbiológica
El ambiente en una tubería no es el más adecuado para una biopelícula; sin embargo gracias a materia orgánica y otros elementos que no son eliminados en procesos de potabilización o que entran al sistema a través de fisuras, fenómenos que son actualmente inevitables, la biopelícula tiene la capacidad de desarrollarse a partir de los nutrientes que obtiene (Navarrete Rodríguez, 2012). La siguiente tabla muestra algunas variables importantes para que exista un crecimiento de biopelícula:
10 Tabla 1. Variables importantes en la adhesión celular para la formación de biopelículas (Dolan, 2002).
La biopelícula se adhiere a una superficie siguiendo las etapas a continuación: primero acondicionamiento de la superficie, luego adhesión de bacterias pioneras, posteriormente formación de las sustancias poliméricas extracelulares, en la cuarta etapa ocurre el desarrollo, reproducción y colonización de microorganismos secundarios, y por último el desprendimiento y una nueva colonización. En la siguiente figura se puede ver el efecto combinado de todas las etapas de una manera visual. Adicionalmente se señala que la caracterización detallada de cada etapa se puede encontrar en el trabajo (Navarrete Rodríguez, 2012).
Figura 1. Formación de biopelícula en tuberías (Hernández M. X., 2010).
La fuente de energía para la biopelícula proviene de diferentes elementos: carbón orgánico, nitrógeno, fósforo, azufre, y metales y trazas. Más específicamente estos componentes provienen de ácidos húmico y fúlvico propios del agua, nitritos, nitratos, fosfatos, y sulfatos del agua, y ácido sulfúrico del pre-tratamiento. También el polvo, los subproductos microbianos, plastificantes, solventes, plásticos reforzados con fibra de vidrio y otros componentes, por ejemplo del acero inoxidable, funcionan como fuente de nutrientes para los microorganismos (Navarrete Rodríguez, 2012).
Propiedades del sustrato Propiedades del fluido Propiedades de las células Velocidad Hidrofobicidad de la superficie celular
pH Temperatura
Cationes
Presencia de agentes antimicrobianos Textura o rugosidad
Hidrofobicidad
Sustancias poliméricas extracelulares (EPS) Fimbrias y flagelos
11
4.1.3.Características de los materiales en tuberías de redes de distribución
A partir de diferentes estudios se ha podido evidenciar la presencia de microorganismos en diferentes tipos de materiales. En el año 2000, Niquette llevó a cabo un análisis bastante completo de los materiales disponibles en el mercado encontrando la densidad de la biomasa asociada con cada uno de ellos de la siguiente manera:
Gráfica 1. Biomasa presente en tuberías discriminada por tipo de material (Niquette Patrick P. S., 2000).
Por medio de la Gráfica 1 se puede especular que en materiales como el PVC y el polietileno, se encuentre menor cantidad de microorganismos que en aquella fabricada en acero galvanizado. Adicionalmente se puede observar que las densidades esperadas de biomasa en materiales plásticos como el PVC y el polietileno, son menores a materiales asociados con metales y cemento, como el hierro o el asbesto-cemento.
4.1.4.Metodología de medición
Para poder realizar mediciones microbiológicas, principalmente aquellas asociadas con la estimación del espesor de la biopelícula en las tres tuberías, se requiere de la definición de las siguientes fórmulas, que representan la metodología con la que estas pruebas fueron llevadas a cabo.
Inicialmente se debe establecer la magnitud de la biomasa en los testigos, para esto se utiliza la siguiente ecuación:
12
Ecuación 1. Peso de la biomasa en los testigos.
Posteriormente, con el peso de la biomasa definido, es posible realizar una cuantificación del espesor de la biopelícula utilizando la fórmula a continuación:
Ecuación 2. Espesor de la biopelícula.
Adicionalmente se espera obtener un comportamiento no sólo de la magnitud del espesor sino también de la velocidad en la que se desarrolla la biopelícula tanto en los testigos de centro como en los de borde. Para conseguir esto se utiliza la Ecuación 3.
Donde: i es el número de medición
Ecuación 3. Velocidad de desarrollo de la biopelícula.
Por último, teniendo en cuenta que en una campaña de medición se realiza la remoción cuatro testigos de centro; el análisis del espesor se divide en éstos por medio de un cálculo simple del promedio de los espesores encontrados individualmente en cada uno de ellos.
Con: i = número de identificación del testigo
Ecuación 4. Espesor promedio en testigos de centro.
4.2.Ámbito Hidráulico
4.2.1.Propiedades del agua en función de la temperatura
El agua es un compuesto que tiene la capacidad de cambiar a estado sólido o gaseoso cuando alcanza ciertas temperaturas: el punto de congelamiento a 0°C y el punto de
13 ebullición a 100°C. Entre estas dos temperaturas el agua se encuentra en estado líquido y propiedades como la densidad y la viscosidad varían a lo largo del rango de temperatura. De esta manera, es importante tener en cuenta la fluctuación de la temperatura a lo largo del día y así llevar a cabo cálculos con mayor exactitud, realizando una mejor estimación de la realidad.
A partir de la Tabla A.1.1 en el libro Hidráulica de tuberías: abastecimiento de agua, redes, riegos, en donde se muestran datos de las propiedades físicas del agua en el sistema internacional de unidades, se desarrollan tres gráficas identificando el comportamiento de la densidad, la viscosidad cinemática y la viscosidad dinámica del agua en estado líquido en función de la temperatura, las cuales se muestran a continuación.
Tabla 2. Propiedades del agua líquida a diferentes temperaturas (Saldarriaga J. G., 2007).
Temperatura Densidad Viscosidad Cinemática (°C) (kg/m3) (m2/s) x10-6
0 999.9 1.792
5 1000 1.519
10 999.7 1.308
15 999.1 1.141
20 998.2 1.007
25 997.1 0.897
30 995.7 0.804
35 994.1 0.727
40 992.2 0.661
45 990.2 0.605
50 988.1 0.556
55 985.7 0.513
60 983.2 0.477
65 980.6 0.444
70 977.8 0.415
75 974.9 0.39
80 971.8 0.367
85 968.6 0.347
90 965.3 0.328
95 961.9 0.311
14 A partir de la anterior tabla se generaron gráficas que permiten entender mejor el comportamiento de cada una de las características a medida que la temperatura incrementa, obteniendo regresiones polinomiales que, posteriormente, permiten identificar sencillamente los valores asociados empleando sólo la temperatura.
Gráfica 2. Comportamiento de la densidad del agua en función de la temperatura.
De la anterior gráfica se realiza una regresión polinomial de cuarto orden con bondad de ajuste (R2) de 0.9999 en donde T representa la temperatura en grados Celsius:
Ecuación 5. Densidad del agua.
955
960 965 970 975 980 985 990 995 1000 1005
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
D
e
n
si
d
ad
(k
g/
m
3)
15 Gráfica 3. Comportamiento de la viscosidad cinemática del agua en función de la temperatura.
Realizando una regresión polinomial con R2 de 0.9997 se obtiene la siguiente ecuación:
Ecuación 6. Viscosidad Cinemática del agua.
Por último se realiza un análisis de la viscosidad absoluta o dinámica del agua a diferentes temperaturas conociendo su relación con las dos variables anteriores:
Ecuación 7. Viscosidad Dinámica.
A partir de los valores de la densidad y viscosidad cinemática en la Tabla 2 y de la Ecuación 7 se desarrolla la siguiente gráfica:
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Vi
sco
si
d
ad
C
in
e
m
ática
(m
2/s) x10
-6
16 Gráfica 4. Comportamiento de la viscosidad dinámica del agua en función de la temperatura.
4.2.2.Número de Reynolds y Régimen de flujo
Por medio de una serie de experimentos realizados por Osborne Reynolds se encontró que el flujo del agua y su interacción con superficies sólidas, puede ser diferenciado por su estabilidad. A través de los experimentos pudo observar que, mediante la utilización de un filamento de tinta, aplicando caudales de diferente magnitud la mezcla de los fluidos ocurría de formas distintas. Inicialmente con caudales bajos la tinta no se mezclaba con el agua de ninguna forma pero a medida que se aumentaba, hasta caudales intermedios, el filamento de tinta empezaba a presentar movimientos sinusoidales dentro de las tuberías, siendo cada vez más inestable. Al incrementar aún más el caudal, el filamento de tinta, ya inestable, alcanza una distancia máxima en donde ocurre una mezcla completa con el agua y el filamento deja de existir. Posteriormente serían Ludwig Prandtl y su alumno Theodore Von Kármán quienes explicarían y definirían el movimiento de los fluidos en sus distintos estados por medio del concepto de la longitud de mezcla para caracterizar la turbulencia con mayor claridad (Saldarriaga J. G., 2007).
Para distinguir estos tres tipos de flujo, según la definición cualitativa provista por Reynolds y el análisis de Prandtl y Von Kármán, se les denominó de la siguiente manera (Saldarriaga J. G., 2007):
0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012 0.0014 0.0016 0.0018 0.002
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Vi sco si d ad Di n ám ic a (k g / m *s) Temperatura (°C)
17
Flujo laminar: No existe intercambio molecular ni mezcla entre capas gracias a que la viscosidad se mantiene suficientemente alta, las fuerzas viscosas predominan sobre las inerciales.
Flujo de transición: Representa la etapa de transición entre el flujo laminar al flujo turbulento, el comportamiento del fluido empieza a ser inestable pero no completamente, aún no hay mezcla completa.
Flujo Turbulento: Ocurre cuando hay intercambio molecular entre capas del fluido y la mezcla se da completamente. Este intercambio es tan fuerte que aminora las fuerzas viscosas, generando que las fuerzas inerciales sean más significativas. Las partículas del fluido no se mueven en la misma dirección ni a la misma velocidad entre ellas mismas, causando que se deba hablar de una velocidad promedio.
Con la finalidad de especificar la naturaleza del flujo que se presenta en tuberías a presión y el comportamiento molecular del agua, se desarrolló el número de Reynolds (Re) que establece, a partir de un rango de valores del mismo, el tipo de flujo que se presenta. Este número adimensional es función de la velocidad (v) y la viscosidad cinemática (ν) del fluido, y del diámetro de la tubería (d) para el caso de flujo a presión.
Ecuación 8. Número de Reynolds.
Utilizando la Ecuación 8, por medio de la experimentación, Reynolds definió los rangos para determinar el régimen de flujo de la siguiente manera:
Tabla 3. Régimen de flujo según el número de Reynolds (Saldarriaga J. G., 2007).
Número de Reynolds Régimen de flujo
Re<2200 Laminar
2200<Re<4500 Transición Re>4500 Turbulento
18 Más tarde Prandtl, apoyándose en la teoría de la longitud de mezcla y definiendo el esfuerzo cortante turbulento, pudo establecer el comportamiento de las pérdidas de energía por fricción en ductos a partir de la teoría de la Interacción Flujo - Pared Sólida. Esta última permite discriminar el flujo turbulento en tres categorías: hidráulicamente liso, hidráulicamente rugoso y flujo turbulento transicional. Para poder entender la diferencia entre estos tres tipos de flujo, fue necesario definir la subcapa laminar viscosa como aquella zona aledaña a la superficie sólida de la tubería, en donde la presencia de la misma, evita el intercambio molecular común en flujos gobernados por la turbulencia, llevando a que se genere una región de flujo laminar en la cercanía a la pared (Saldarriaga J. G., 2007). La magnitud de la subcapa laminar viscosa (δ´) se obtiene con la siguiente ecuación:
Donde: ν: viscosidad cinemática v*: velocidad de corte
Ecuación 9. Subcapa Laminar Viscosa.
Previamente Prandtl definió la velocidad de corte de la siguiente manera:
Con τo: esfuerzo cortante
ρ: densidad
Ecuación 10. Velocidad de Corte
Descrito de forma cualitativa, el flujo hidráulicamente liso ocurre cuando la rugosidad absoluta (ks) del material es significativamente inferior al espesor de la subcapa laminar
viscosa (δ’) causando que el flujo se comporte como si la rugosidad no existiera. Por el
contrario cuando la rugosidad es sustancialmente mayor al espesor de la subcapa, el flujo es determinado hidráulicamente rugoso. Por último aquella zona transicional se da cuando la
19 rugosidad y el espesor de la subcapa laminar tienden a magnitudes similares y no se salen de los límites establecidos para los flujos hidráulicamente lisos y rugosos.
De manera cuantitativa se establecieron los siguientes límites a fin de caracterizar el régimen turbulento de flujo:
Tabla 4. Régimen de flujo turbulento según la rugosidad absoluta y el espesor de la subcapa laminar.
Régimen de flujo turbulento Rango
Hidráulicamente Liso ks ≤ 0.305δ'
Transicional 0.305δ' < ks < 6.1δ'
Hidráulicamente Rugoso ks ≥ 6.1δ'
4.2.3.Pérdidas por fricción
Inicialmente se establece la relación directa entre el esfuerzo cortante en la pared del conducto con la caída de altura piezométrica (hf) de la siguiente manera para una tubería
circular (Saldarriaga J. G., 2007):
En la ecuación 11: Rh: radio hidráulico
γ: peso específico Sf: pendiente de fricción
d: diámetro
hf: caída piezométrica
L: distancia longitudinal
Ecuación 11. Relación entre el Esfuerzo Cortante y la caída de altura piezométrica (hf).
Por otra parte la caída de altura piezométrica en flujos de tuberías a presión puede ser descrita a partir de la ecuación de Darcy-Weisbach obtenida de un análisis dimensional incorporando aquellas características geométricas, cinemáticas y dinámicas que repercuten en el comportamiento de la pérdida de energía por causa de la fricción, denominada hf.
Finalmente se estableció que las pérdidas son función de la longitud (L) y el diámetro (d) de la tubería, y de la velocidad promedio de flujo (v), sin olvidar la influencia de la
20 gravedad (g). En esta ecuación se declara un factor de fricción (f) que varía de acuerdo a los diferentes parámetros, dependiendo del tipo de flujo gobernante (Saldarriaga J. G., 2007).
Ecuación 12. Fórmula de Darcy-Weisbach
Reordenando los términos de la fórmula de Darcy-Weisbach se obtiene la siguiente ecuación que será utilizada para calcular el factor de fricción.
Ecuación 13. Factor de Fricción (f) en la fórmula de Darcy-Weisbach
4.2.4.Factor de fricción y Diagrama de Moody
Estudios individuales y conjuntos realizados por Prandtl, Von Kármán, Colebrook, White, y Moody, entre otros, permitieron entender completamente el comportamiento de la rugosidad de los materiales y su respectivo valor del factor de fricción a través de los diferentes tipos de flujo descritos previamente. Primero es conveniente mencionar que cada material tiene un valor propio, característico, de ks, el cual permanece constante sin
importar el régimen de flujo que ocurra en las tuberías, incrementos en su magnitud se deben a la generación de biopelículas y otros factores que disminuyen la capacidad de transporte de las redes. Por otro lado, el factor de fricción varía según el tipo de flujo de la siguiente manera: en flujo laminar, dependerá únicamente del número de Reynolds el cual, en este tipo flujo, tiene valores bajos a lo sumo de 2200; por el contrario en flujos turbulentos, f sólo depende de la rugosidad relativa (ks/d) ya que tiende a estabilizarse en un
único valor a medida que sigue aumentado el número de Reynolds, es decir es independiente del mismo. Por consiguiente, en la etapa de transición entre estos dos tipos de flujo, el factor de fricción es función, tanto del número de Reynolds como de la rugosidad relativa. En otras palabras el factor de fricción se ve influenciado por el comportamiento del fluido y por las características estructurales y geométricas de la tubería durante la transición.
21 Enseguida se hará una revisión de aquellas fórmulas que describen la relación entre la rugosidad y los distintos regímenes de flujo (Saldarriaga J. G., 2007).
Flujo Laminar
Ecuación 14. Factor de Fricción en Flujo Laminar.
Flujo turbulento hidráulicamente liso: ecuación de Prandtl-Von Kármán
Ecuación 15. Ecuación de Prandtl-Von Kárman para Flujo Turbulento Hidráulicamente Liso.
Ecuación 16. Ecuación de Prandtl-Von Kárman para Flujo Turbulento Hidráulicamente Liso reformada.
Flujo turbulento hidráulicamente rugoso: ecuación de Prandtl-Von Kármán
Ecuación 17. Ecuación de Prandtl-Von Kárman para Flujo Turbulento Hidráulicamente Rugoso.
Ecuación 18. Ecuación de Prandtl-Von Kárman para Flujo Turbulento Hidráulicamente Rugoso reformada.
Flujo turbulento Transicional: ecuación de Colebrook-White
22 Realizando una reorganización de los términos en la ecuación de Colebrook-White se despeja la rugosidad absoluta pues este parámetro es el que se quiere identificar luego de las pruebas.
Ecuación 20. Rugosidad Absoluta (ks) en la fórmula de Colebrook-White
Diagrama de Moody
En 1944 Lewis Moody dio a conocer sus estudios realizados sobre las pérdidas por fricción en tuberías basándose en los estudios de Johann Nikuradse y de Colebrook-White. Por medio de sus resultados generó una gráfica que permitía observar el comportamiento del factor de fricción en todos los tipos de flujo. El diagrama de Moody es reconocido mundialmente y jugó una parte importante en la historia del cálculo de las pérdidas por fricción en tuberías durante un periodo de tiempo significativo (Saldarriaga J. G., 2007).
23
5.
Modelo Físico
En el Laboratorio de Hidráulica de la Universidad de los Andes, se dispone un espacio para el estudio de acueductos y alcantarillados. Allí fue construido un modelo por Carolina Navarrete durante el primer semestre del 2012, inicialmente con dos tuberías para su estudio: una de PVC, y otra de acero galvanizado. Posteriormente, a finales del mismo año, se terminó la instalación de la tercera tubería; el material destinado para esta última fue polietileno. El proceso de construcción del montaje está descrito de manera detallada en el trabajo de su misma autora (Navarrete Rodríguez, 2012). Sin embargo en este capítulo se presentarán los detalles más importantes del modelo elaborado, sus componentes, y las adecuaciones realizadas.
5.1.Componentes del modelo
En primera instancia se presentan dos planos del modelo: uno en vista en planta y otro lateral. Las vistas del modelo fueron realizadas utilizando Autocad.
24 Figura 3. Plano del montaje: vista lateral (Navarrete Rodríguez, 2012).
A continuación se expondrán algunas fotografías del montaje que permitan entender en mejor medida los planos en las Figuras 2 y 3.
25 En las Fotografías 1 y 2 se puede observar el modelo desde dos perspectivas complementarias, en la primera se observa el sistema aguas arriba, mientras que en la segunda aguas abajo. En ambas, se puede distinguir las tres tuberías en serie paralelas fabricadas de, observando la Fotografía 2 de izquierda a derecha, PVC, acero galvanizado, y polietileno y alrededor de ellas la estructura de almacenamiento. Además es posible ver el tanque elevado en la Fotografía 1 en donde se advierte en el centro de su cara frontal, la salida de agua que alimenta al sistema. Durante la toma de las fotografías, la única tubería en operación es la de polietileno.
Adicionalmente se caracterizan, a partir de fotografías, algunos elementos individuales del sistema en mayor detalle:
Rebose de tanque elevado (Fotografía 3): Cuando el tanque llega a cierta capacidad rebosa a través de un ducto que evita que se exceda su capacidad máxima manteniendo el volumen constante en el interior (Navarrete Rodríguez, 2012).
Vertederos triangulares (Fotografía 4): Estas estructuras permiten llevar a cabo una medición indirecta del caudal a partir de un limnímetro móvil para las tres tuberías.
Fotografía 4. Vertedero triangular móvil. Fotografía 3. Rebose del tanque elevado (Navarrete Rodríguez, 2012).
26
Piezómetros: En dos ubicaciones a lo a largo de la tubería separadas a 2.1 m de distancia, se adaptaron piezómetros a los tubos por medio de mangueras de ¼”. La primera ubicación representa la frontera inicial de la medición, mientras que la segunda la frontera final. Los piezómetros permiten realizar una cuantificación de la presión y, empleando los dos puntos de medición, de la caída de la presión. En la siguiente fotografía se muestra la forma en que fueron dispuestos los 5 piezómetros en cada sitio de interés. En cada punto se debe garantizar la impermeabilidad evitando al máximo las fugas de agua. También se debe regular que la fracción de la manguera que entra a la tubería sea máximo hasta su espesor y así evitar vórtices internos generando cambios en la presión. Es importante mencionar que en las ubicaciones superiores de los piezómetros se detecta la presencia de burbujas de aire que entran al sistema, afectando en cierta medida la medición. Análogamente en los piezómetros inferiores no ocurre esto pero al mismo tiempo se tiene un mayor grado de dificultad en controlar las fugas. Adicionalmente se muestra un esquema de la posición de las uniones piezómetro-tubería con su respectiva nomenclatura desde una vista frontal; este esquema se repite en todas las tuberías, aguas arriba y aguas abajo.
27 Figura 4. Esquema de uniones piezómetro-tubería.
Testigos: En el segmento final de cada tubería fueron adaptados recortes de las mismas para poder estudiar el comportamiento de las biopelículas interiormente. Se utilizan unos dispositivos denominados testigos los cuales son secciones de tuberías que son removibles, pero que durante la operación del sistema, tienen un contacto directo con el agua en su parte interna. Son sujetadas a través de abrazaderas para que el flujo del agua simule una tubería completamente compacta, sin divisiones. Existen dos tipos de testigos, los de borde y los de centro. Los primeros son aquellos que se aprisionan de manera individual alrededor de todo el cuerpo superior de la tubería y se ubican en los extremos de la misma. Mientras que en los de centro, se utilizan dos placas, una en cada cara lateral de la tubería y se ubican longitudinalmente espaciados por una distancia establecida. Así, al dejar correr el flujo de agua en el tiempo, con la cloración adecuada, y una cierta cantidad de carbono orgánico disuelto biodegradable, las películas bacterianas se desarrollan en cada uno de los testigos. En el presente modelo, se cuenta con 24 testigos de centro y un único testigo de borde para cada tubería. Las fotografías siguientes muestran la apariencia física de los testigos externa e internamente.
28
Tablero Piezométrico: En el extremo contrario a la entrada a la tubería, los piezómetros son ajustados a un tablero en el cual se obtiene una lectura de la presión Fotografía 6. Disposición externa de los testigos en las tres tuberías.
29 del agua en ese punto a través del flujo del agua en las mangueras (Navarrete Rodríguez, 2012).
Fotografía 8. Tablero Piezométrico (Navarrete Rodríguez, 2012).
Sensor diferencial de presión: A partir de este dispositivo se puede medir la diferencia de presión en los dos puntos llevando las mangueras hasta las entradas dispuestas en el sensor. Su estimación representa las pérdidas de energía que se da entre los dos lugares de atención. El equipo utilizado es un transmisor de presión diferencial marca Instruelectronics. La unidad en la que presenta los valores es milibares y tiene un rango de medición de 0.75 – 15 mBar.
30 5.2.Operación del modelo
La recirculación del agua en el montaje tiene dos principales factores que influencian el movimiento del agua a través de los distintos elementos del sistema. La primera es una motobomba ubicada contiguamente a la piscina de almacenamiento, de la cual obtiene el agua que posteriormente es bombeada al tanque elevado en donde el ciclo vuelve a iniciar. El segundo elemento son las válvulas tipo cortina de 4 pulgadas por las cuales es posible la regulación del caudal en cada una de las tuberías.
El proceso de crecimiento de las biopelículas es influenciado por la velocidad a la que el agua fluya normalmente dentro de las tuberías (Trujillo, 2011). Con el fin de mantener las mismas condiciones en las tres tuberías, se establece una velocidad de recirculación aproximada de 1 m/s, el cual es un valor normal en redes de distribución de agua potable y garantiza un flujo turbulento. Además se evita utilizar operar a altas velocidades y así evitar desprendimientos de la biopelícula en las paredes de las tuberías (Navarrete Rodríguez, 2012). Por otra parte se establece que cuando se realicen pruebas hidráulicas sólo esté en operación la tubería del ensayo pues el movimiento del agua en el sistema puede afectar la medición, la cual, al ser un fragmento relativamente corto de tubería, es considerablemente sensible.
Por otra parte, en la estructura de almacenamiento es en donde se le realiza el control de la calidad del agua en el sistema. En sitios en donde se genera gran turbulencia se añade el Fotografía 10. Motobomba. Fotografía 11. Válvulas de 4 pulgadas tipo cortina.
31 hipoclorito de calcio disuelto en agua para que se mezcle con todo el volumen del sistema, y así mantener la concentración de cloro dentro de los niveles permisibles. En este mismo lugar, se alimenta al sistema con pastos como fuente de carbono orgánico disuelto biodegradable que es utilizado como nutriente por los microorganismos.
32
6.
Procedimiento Experimental
6.1.Calibración de Vertederos
En el montaje se cuenta con tres tuberías ya descritas previamente, cada una con un vertedero individual en el que se pueden realizar mediciones limnimétricas. El objetivo final de estas estructuras es determinar el caudal que fluye por una determinada tubería y para poder conseguir esto, es necesario llevar a cabo un proceso de calibración que permita entender la correlación entre la altura medida por el limnímetro y la medición del caudal con un equipo alternativo (caudalímetro).
Este comportamiento tiene una tendencia potencial y puede ser representado de la siguiente forma numéricamente (Navarrete Rodríguez, 2012):
Ecuación 21. Relación potencial del caudal en vertederos triangulares.
En este caso con las unidades asociadas adecuadas: Q: caudal (L/s)
H: altura limnimétrica (cm)
C y n: coeficientes únicos a cada sistema determinados en la calibración
Anteriormente fue mencionado que para las tuberías de PVC y acero galvanizado, la calibración fue realizada por Carolina Navarrete. A continuación se muestran los resultados obtenidos a partir de las mediciones presentadas en el Anexo 1.
33 Gráfica 6. Curva de calibración vertedero PVC (Navarrete Rodríguez, 2012).
Gráfica 7. Curva de calibración vertedero Acero Galvanizado (Navarrete Rodríguez, 2012).
Posteriormente se realizó la instalación de la tercera tubería de un material diferente a las anteriores: polietileno, del que fue necesario realizar la cuerva de calibración para el vertedero. Fue utilizado un caudalímetro no intrusivo el cual arroja un resultado del caudal directamente. La forma de utilización del aparato se muestra en las siguientes imágenes en donde se identifican los diferentes componentes del equipo:
y = 0.0127x2.3211
R² = 0.9861 4 6 8 10 12 14 16
12 14 16 18 20 22
Cau d al (L/ s) H (cm)
Calibración vertedero PVC
Datos Experimentales
Potencial (Datos Experimentales)
y = 0.015x2.2335
R² = 0.9629 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00
15 16 17 18 19 20
Cau d al (L/ s) H (cm)
Calibración vertedero Acero Galvanizado
Datos Experimentales
Potencial (Datos Experimentales)
34 Teniendo el mecanismo adaptado a la tubería de polietileno, se realizaron las mediciones de caudal y altura complementarias. El resultado de la calibración se muestra a continuación, y las mediciones en el final del Anexo 1:
Gráfica 8. Curva de calibración vertedero Polietileno.
y = 0.0139x2.3315
R² = 0.999
0 2 4 6 8 10 12 14
5 10 15 20
Q
(L/
s)
H (cm)
Calibración vertedero Polietileno
Datos
Experimentales Potencial (Datos Experimentales) Fotografía 13. Método de instalación a la tubería. Fotografía 12. Caudalímetro.
35 A partir de las Gráficas 6, 7 y 8 se observa la calibración del vertedero de cada una de las tres tuberías en donde se pueden obtener los coeficientes de la Ecuación 21 por medio de la regresión potencial en las gráficas. Todas las regresiones presentan valores del coeficiente de determinación (R2) muy cercanos a uno, estableciendo una buena calibración. Los resultados finales de la calibración se muestran en la siguiente tabla:
Tabla 5. Resultados calibración de los vertederos y características de operación.
Tubería C n R2 Rango de Caudal (L/s) Rango de Velocidad (m/s)
PVC 0.0127 2.3211 0.9861 5.6 - 14.8 0.69 - 1.83
Acero Galvanizado 0.015 2.2335 0.9629 6.5 - 12.5 0.80 - 1.54
Polietileno 0.0139 2.3315 0.999 1.3 - 12.2 0.16 - 1.50
Siguiendo la tabla anterior las ecuaciones para calcular el caudal de cada tubería quedan de la siguiente forma:
Tabla 6. Ecuaciones para calcular el caudal.
Tubería Ecuación Ho (cm)
PVC 16.89
Acero Galvanizado 16.92
Polietileno 17.29
6.2.Recirculación, volumen de agua, cloración, temperatura y alimentación del
sistema
Con el fin de determinar el volumen total de agua que se encuentra en el sistema, se desarrolló un cálculo del volumen contenido individualmente en los componentes obedeciendo la geometría de cada uno de ellos. Las dimensiones de los módulos del sistema se presentan en el Anexo 2.
Tabla 7. Cálculo del volumen total de agua en el montaje.
Elemento Volumen (m3)
Tanque elevado 1.58
Piscina de almacenamiento 4.79
Vertederos 1.98
Tuberías 0.12
36 Este volumen de control servirá para poder determinar la cantidad de cloro necesaria para mantener los niveles de concentración del cloro residual dentro de lo permitido por la Resolución 2115 de 2007 de los Ministerios de Protección Social y de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, en la cual se establece un rango de concentración de cloro residual para sistemas de distribución y plantas de tratamiento de agua potable de 0.3mg/L – 2mg/L. La adición de cloro se lleva a cabo utilizando hipoclorito de calcio disuelto en agua, ya que permite una buena mezcla con la totalidad del volumen, manteniendo las concentraciones estables en el rango deseado (Hernández M. X., 2010). La cantidad de hipoclorito de calcio que se debe agregar al sistema para que la concentración se encuentre dentro de los límites mencionados, es entre 10 gr y 12 gr, para llevar la concentración a un pico cercano a 1 mg/L y que en etapas posteriores se estabilice durante un largo periodo de tiempo entre 0.4 y 0.5 mg/L. Esta cantidad fue obtenida a partir de un análisis químico de las interacciones del cloro al entrar en contacto con el agua, el cual es presentado en el Anexo 3.
Adicionalmente, tiene importancia mencionar que la concentración de cloro en el sistema no es estable a lo largo del tiempo. Para garantizar que se cumpla con la normativa durante todo el periodo de recirculación del agua en las tuberías, se desarrolla una curva de cloro en la que se puede observar el comportamiento de la concentración durante un día típico de recirculación. La medición se lleva a cabo a través de un colorímetro de cloro libre, por el cual se puede establecer la concentración de cloro de la muestra de agua tomada por medio de la intensidad de la coloración que se presente al adicionarle el reactivo. En la siguiente fotografía se muestra el dispositivo durante una prueba realizada, en la que se puede observar el color de la muestra entre los niveles 0.5 mg/L y 1 mg/L. Es importante señalar que esta forma de medición no arroja un único valor exacto de la concentración sino que se analiza la intensidad del color sobre los valores preestablecidos.
37 Fotografía 14. Colorímetro de Cloro Libre.
Gráfica 9. Curva de Concentración de Cloro.
En la Gráfica 9 se observa cómo, durante la primera hora después de agregar aproximadamente 10 gr de hipoclorito de calcio disuelto en agua, la concentración se eleva rápidamente a un valor máximo cercano a 1 mg/L, para luego disminuir de forma paulatina hasta 0.2 mg/L a las 4 horas. En este punto la concentración de cloro está debajo de la concentración mínima de 0.3 mg/L por lo que durante un día de recirculación es necesario
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Co
n
ce
n
tr
ac
ió
n
d
e
C
lo
ro
(m
g/
L)
38 realizar dos adiciones de cloro: una al iniciar el día de medición y la segunda a las 4 horas del inicio.
Por otro lado, la recirculación del agua en las tuberías se realiza diariamente durante 8-9 horas, aproximadamente de 8:00 am a 5:00 pm durante todos los días hábiles de la semana. De la misma manera en que se realizó el análisis del comportamiento de la concentración del cloro durante el día de recirculación, se lleva a cabo una revisión de la temperatura del agua en el sistema. La temperatura no es uniforme durante las horas del día y puede presentar diferencias en distintas jornadas de medición. Estas variaciones se dan principalmente por la influencia de la temperatura ambiente en distintos días de la semana, la cual es afectada constantemente por la incertidumbre climática. Por lo anterior, se establecen los límites superior e inferior de la temperatura a lo largo de las horas del día en donde ocurre recirculación.
Gráfica 10. Curva del rango de temperatura del agua en el sistema.
De la anterior gráfica, se pueden hacer dos deducciones. La primera es que la temperatura del agua en el sistema tiende a aumentar durante el día; en la mañana se obtienen valores inferiores a los encontrados en las horas de la tarde. Por otro lado se observa que la temperatura no es constante a lo largo de los días, una misma hora puede presentar temperaturas diferentes en distintos días de medición. En la Gráfica 10 se presenta un rango de valores en los que la temperatura permanece durante las horas del día. Se puede observar
16 16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5
09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00
Tem p e ratu ra d e l agu a ( °C)
Hora del día
Datos experimentales Límite Inferior Límite Superior
39 una mayor amplitud del rango durante las horas de la mañana, y a medida que transcurre el tiempo, se hace cada vez menor. La temperatura oscila aproximadamente entre valores de 16.5°C en horas de la mañana hasta los 19°C durante la tarde dando los siguientes rangos para algunas propiedades del agua:
Tabla 8. Rango de las propiedades del agua en el sistema.
Temperatura (°C)
Densidad (kg/m3)
Viscosidad dinámica (kg / m*s)
Viscosidad cinemática (m2/s) x 10-6
16.5 998.86 0.00110 1.102
19 998.42 0.00103 1.032
Alimentación del sistema
El objetivo del presente trabajo es analizar el crecimiento de las biopelículas, para esto es necesario proporcionar, a los microorganismos, una fuente de nutrientes que les permita tanto su subsistencia, como su desarrollo. La forma en la que se llevará a cabo la alimentación es por medio del carbono orgánico disuelto biodegradable que brindan fuentes vegetales. En la piscina de almacenamiento del agua del sistema, se sitúan pastos que representan la fuente a la que se hace alusión. Esto se realiza por medio de la consecución de pasto, el cual es almacenado a través de costales y colocado en contacto directo con el agua del sistema.
Fotografía 15. Fuente de nutrientes para los microorganismos: Pasto Kikuyo (Vargas Castilla, 2012).
Lo anterior es indicado para el modelo, ya que el agua que abastece a las plantas de tratamiento es obtenida principalmente de cuerpos de agua naturales que están en contacto
