EFECTO DE LA VELOCIDAD DE FLUJO SOBRE EL CRECIMIENTO DE BIOPELÍCULAS EN TUBERÍAS DE PVC EN REDES DE AGUA POTABLE.
Proyecto de Grado
Presentado Por:
Gonzalo Cifuentes Ospina
Asesor:
JUAN GUILLERMO SALDARRIAGA
dedicación, por darme la confianza y el apoyo que me permitió seguir adelante a pesar de las adversidades.
A Juan Saldarriaga por su paciencia y atención en el desarrollo del presente proyecto.
Finalmente a Victoria Rivera (QEPD) quien hubiese soñado ver este proyecto finalizado, gracias.
Tabla de Contenido
ÍNDICE DE GRÁFICAS ... i
ÍNDICE DE TABLAS ... ii
ÍNDICE DE FIGURAS ... iii
1. INTRODUCCIÓN ... 1
2. OBJETIVOS ... 3
2.1. Objetivos Generales ... 3
2.2. Objetivos Específicos ... 3
3. ANTECEDENTES ... 4
4. MARCO TEÓRICO ... 8
4.1. Biopelículas ... 8
4.1.1. Generalidades de las Biopelículas ... 8
4.1.2. Dinámica de crecimiento ... 8
4.1.3. Aspectos microbiológicos ... 10
4.1.4 Problemas asociados... 13
4.2 Actualidad y aspectos relevantes ... 15
4.3 Hidráulica del flujo en tuberías ... 15
4.3.3 Número de Reynolds ... 15
4.3.4 Fuerzas cortantes y pérdidas de energía ... 17
5 DESCRIPCIÓN DEL MODELO EMPLEADO ... 21
5.1 Proceso constructivo del montaje ... 21
5.2 Tuberías ... 22
5.3 Válvulas ... 23
5.4 Motobomba ... 24
5.5 Tanque elevado ... 25
5.6 Piezómetros... 26
5.7 Vertederos ... 28
5.8 Elementos de medición ... 31
5.8.3 Limnímetro ... 31
5.8.4 Termómetro ... 31
5.8.5 Medidor de concentración de cloro en piscinas ... 32
5.9 Testigos ... 33
5.10 Tanque reservorio ... 35
6 METODOLOGÍA DE PROYECTO ... 36
6.1 Adición de carbono orgánico ... 36
6.2.3 Cloro residual ... 38
6.2.4 Medición de testigos... 40
6.2.5 Cálculo del espesor de la biopelícula ... 41
6.2.6 Medición de las pérdidas ... 43
7 RESULTADOS DEL PROYECTO ... 45
7.1 Crecimiento de la biopelícula asociada con testigos de capa ... 45
7.1.1 Tubería 1 ... 45
7.1.2 Tubería 2 ... 46
7.1.3 Tubería 3 ... 47
7.2 Crecimiento de la biopelícula asociada con testigos de borde ... 49
7.2.1 Tubería 1 ... 50
7.2.2 Tubería 2 ... 51
7.2.3 Tubería 3 ... 52
7.3 Ubicación de los puntos en el diagrama de Moody ... 52
7.3.1 Tubería 1 ... 53
7.3.2 Tubería 2 ... 54
7.3.3 Tubería 3 ... 55
7.4 Cálculo de la rugosidad y comparación con los datos hidráulicos por tubería 57 7.4.1 Tubería 1 ... 57
7.4.2 Tubería 2 ... 58
7.4.3 Tubería 3 ... 59
7.5 Comparación global de las tuberías ... 60
8 CONCLUSIONES ... 62
Bibliografía ... 63
Anexos ... 65
Base de datos semanal ... 65
ÍNDICE DE GRÁFICAS
Gráfica 1. Curva de concentración de cloro, mediciones dos veces al día... 40
Gráfica 2. Variación temporal del espesor de la biopelícula, tubería 1 ... 46
Gráfica 3. Variación temporal del espesor de la biopelícula, tubería 2 ... 47
Gráfica 4. Variación temporal del espesor de la biopelícula, tubería 3 ... 48
Gráfica 5. Comparación de la dinámica de crecimiento en las tres tuberías ... 48
Gráfica 6. Velocidad de crecimiento de las biopelículas en todas las tuberías ... 49
Gráfica 7. Gráfica log-log del número de Reynolds y el factor de fricción, Tubería 1 53 Gráfica 8. Gráfico ks contra número de Reynolds, Tubería 1... 53
Gráfica 9. Gráfico log-log del número de Reynolds y el factor de fricción, Tubería 2 54 Gráfica 10. Gráfico ks contra número de Reynolds, Tubería 2 ... 55
Gráfica 11. Gráfico log-log del número de Reynolds y el factor de fricción, Tubería 3 ... 56
Gráfica 12. Gráfico ks contra número de Reynolds, Tubería 3 ... 56
Gráfica 13. Comparación de espesores de biopelícula y ks, tubería 1 ... 58
Gráfica 14. Comparación, ks vs Espesor de la biopelícula, Tubería 2 ... 59
Gráfica 15. Comparación, ks vs Espesor de la biopelícula, Tubería 3 ... 60
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Ecuaciones de calibración de los tres vertederos ... 29
Tabla 2. Ecuaciones de calculo para la medición de testigos (Tamayo, 2013) ... 42
Tabla 3. Cálculos de espesor, tubería 1 ... 45
Tabla 4. Cálculos de espesor, tubería 2 ... 46
Tabla 5. Cálculos de espesor, tubería 3 ... 47
Tabla 6. Mediciones de testigos laterales, tubería 1 ... 50
Tabla 7. Mediciones de testigos laterales, tubería 2 ... 51
Tabla 8. Mediciones de testigos laterales, tubería 3 ... 52
Tabla 9. Comparación, ks vs Espesor de la biopelícula, Tubería 1 ... 57
Tabla 10. Comparación, Ks vs Espesor de la biopelícula, Tubería 2 ... 58
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Modelo de recirculación usado por (lehtola, Laxander, & Miettinen, 2006). .. 4
Figura 2 .Modelo de recirculación empleado por (Melo & Nunes, 2007). ... 6
Figura 3. Formación de biopelícula (Carvajal, Gómez, & Ochoa, 2007). ... 10
Figura 4. Capa límite. Tomado de (http://www.elsevier.pt/es/revistas/archivos- cardiologia-mexico-293/artigo/caracterizacion-del-flujo-pulsante-vascular-mediante-observaciones-iin-90168827) el día 6 de Noviembre de 2013... 17
Figura 5. Subcapa laminar Viscosa (Guimaraes, 2001). ... 18
Figura 6. Diagrama de Moody. Tomado de (http://www2.uah.es/rosal/virtual/tablas.htm) el día 8 de Noviembre de 2013 .... 20
Figura 7. Montaje modelo (Tamayo, 2013), (modificado por el autor) ... 21
Figura 8. Curva del vertedero correspondiente a la tubería 1 ... 30
Figura 9. Curva del vertedero correspondiente a la tubería 2 ... 30
Figura 10. Curva del vertedero correspondiente a la tubería 3 ... 31
Figura 11. Termómetro resistente al agua, Tomado de (http://www.traverstool.com.mx/hp_150/96-017-421.html) el 2 de Noviembre de 2013 ... 32
Figura 12. Pasto kokuyo y bolsa tejida empleada en la adición de COA ... 36
Figura 13. Diagrama de flujo de funcionamiento del modelo (Tamayo, 2013) ... 38
Figura 14. Diagrama de flujo para la medición del espesor de la biopelícula (Tamayo, 2013) ... 41
Figura 15. Diagrama de flujo para la medición de pérdidas (Latorre, 2012) ... 43
Figura 16. Diagrama de flujo para el cálculo de las variables hidráulicas (Latorre, 2012) ... 44
1.
INTRODUCCIÓN
El agua es un compuesto primordial para la vida en la tierra; todos los seres vivos tienen en su ciclo de vida alguna relación con este líquido ya sea esta el medio de vida o simplemente un componente más del cuerpo. La humanidad a través de la historia ha requerido del agua para realizar sus actividades diarias, desde el riego de alimentos, pasando por el uso de agua para higiene, hasta el consumo directo. El agua como bien se extiende alrededor del globo terrestre, cubriendo dos terceras partes de la superficie. A pesar de su abundancia como compuesto, para satisfacer las necesidades humanas el agua requiere determinadas características, que limitan el uso de las fuentes u obligan a realizar tratamiento en los cuerpos de agua. En vista de la importancia de tener el recurso cerca para garantizar la supervivencia y un nivel de vida adecuado, se empezaron a construir facilidades para el transporte del agua, desde canales rudimentarios, hasta complejos acueductos, como los que surtían de agua a los romanos.
El desarrollo tecnológico y científico ha permitido que los sistemas de acueducto de la actualidad, sean complejas redes de tuberías, de materiales mecánicamente eficientes y mucho más versátiles que los que existían en tiempos anteriores. Hoy en día, el principal objetivo de los acueductos es surtir con agua de calidad a la población, sin incurrir en gastos excesivos de dinero.
En términos de calidad, el agua que es distribuida en los sistemas de acueducto requiere tener ciertos umbrales máximos de concentraciones de determinadas sustancias, que pueden dañar el bienestar del consumidor final del agua. Tales sustancias pueden corresponder a compuestos químicos, características físicas o también a características biológicas y microbiológicas; falencias en cualquier característica anteriormente mencionada, genera problemas de salud pública que pueden variar en su gravedad, desde pequeños brotes de enfermedades diarreicas, hasta epidemias de cólera que según la Organización Mundial de la Salud, cobran del orden de 100.000 víctimas al año.
El agua posee la capacidad de albergar vida, luego en cualquier cuerpo de agua se encontrarán seres vivos como bacterias, protozoos o pequeños hongos microscópicos, los cuales al estar en contacto con el ser humano pueden desencadenar reacciones virulentas, llevando así a daños en la salud de la población,
que inevitablemente requiere consumir agua. Después que el agua sale de la planta de tratamiento con sus características controladas, esta viaja a través de la red de tuberías, donde ocurren procesos biológicos que pueden alterar las características del líquido y generar problemas. Aparte de infiltraciones por rotura de piezas de tuberías y conexiones erradas por falta de buenos procesos constructivos, se presenta un fenómeno en la gran mayoría de los sistemas de acueductos en el mundo; este es el crecimiento de biopelículas en las paredes de las tuberías.
Las biopelículas son organizaciones microbianas compuestas por microorganismos que se adhieren a las superficies gracias a la secreción de un exopolímero. Estas conformaciones microbianas presentan características como heterogeneidad, diversidad de microambientes, resistencia a antimicrobianos y capacidad de comunicación intercelular que las convierten en complejos difíciles de erradicar de los ambientes donde se establecen (Betancourth & Botero, 2004).
El desprendimiento y el funcionamiento interno de estas estructuras genera contaminación en el agua y finalmente reduce la calidad de agua que llega al usuario final. Las biopelículas pueden almacenar microorganismos patógenos, incluyendo algunos procedentes de fuentes fecales tales como Cryptosporidiumparvum, Campylobactersp., rotavirus y otros que son capaces de crecer dentro de los sistemas de distribución de agua, como Legionellasp., micobacterias y Aeromonassp. Las biopelículas son esenciales para la supervivencia y el crecimiento de microorganismos higiénicamente relevantes en el agua potable, por lo que el estudio de las mismas es de vital importancia para la protección efectiva del recurso, tratamiento del agua y valoración del riesgo (Betancourth & Botero, 2004).
Hidráulicamente, las biopelículas tienen un impacto sobre la rugosidad y el diámetro de la tubería, su crecimiento afecta el flujo y puede llevar a cambios en las ecuaciones de diseño de sistemas de acueductos. Se conoce de cambios operacionales en redes de acueducto debido a crecimiento excesivo de biopelículas. En el presente documento se mostraran los resultados obtenidos en el laboratorio de Acueductos y Alcantarillados de la Universidad de Los Andes, de una recreación de flujo controlado en tres tuberías de PVC de 6 pulgadas de diámetro, con diferentes regímenes de flujo. El sistema es alimentado orgánicamente con pasto común como fuente de carbono orgánico biodegradable, y sus condiciones de cloración son controladas diariamente estando en los rangos establecidos por el RAS, norma vigente colombiana para el trasporte de agua. Se realizaron de manera periódica mediciones de pérdidas y crecimiento de biopelículas y el objetivo principal es relacionarlas y analizarlas tanto cualitativa, como cuantitativamente.
2. OBJETIVOS
2.1. Objetivos Generales
Relacionar el crecimiento de biopelículas en tuberías, con perdidas por fricción y cambios en las variables hidráulicas de las diferentes variables de las ecuaciones de diseño físicamente basadas empleadas en la actualidad para el diseño de sistemas de acueductos.
2.2. Objetivos Específicos
Evaluar el crecimiento de biopelículas en tres tuberías de PVC de 3 pulgadas fluyendo a diferentes velocidades.
Observar el crecimiento interno de biopelículas de forma cualitativa, haciendo uso de los testigos.
Calcular las tasas de crecimiento de las biopelículas, en las diferentes tuberías.
Generar ajustes en los datos recopilados, haciendo uso de técnicas estadísticas y de optimización para obtener resultados mas precisos.
Encontrar relaciones de causalidad de las biopelículas, creciendo en el ambiente controlado del montaje de laboratorio.
3.
ANTECEDENTES
El tema de las biopelículas es de gran importancia en el ámbito mundial, debido a que en múltiples áreas del conocimiento estas aparecen, no solamente en diseño de acueductos sino en ciencias tan variadas como la ingeniería de alimentos, la medicina y la odontología entre otras. Esta forma de crecimiento bacteriano no siempre está asociada con problemas indeseados, ya que el crecimiento controlado de biopelículas es aplicado en filtros biológicos para tratamiento secundario de aguas, y últimamente ha venido siendo implementado en tratamiento de enfermedades de la piel.
Diferentes publicaciones internacionales, ya aplicadas a biopelículas han sido encontradas en la literatura; a continuación se relacionan algunas significativas, que serán citadas en el documento y cuyos resultados coinciden en forma total o parcial con los del presente proyecto:
“The effects of changing water flow velocity on the formation of biofilms and water quality in pilot distribution system consisting of copper or polyethylene pipes” traducido como “los efectos del cambio en la velocidad de flujo de agua en la formación de biopelículas y calidad del agua en redes piloto de distribución con tuberías de cobre o polietileno”. Éste es un estudio realizado en Finlandia en el cual se relaciona en materiales diferentes el crecimiento de biopelículas y su relación con la calidad del agua; el montaje utilizado es muy similar al empleado en el presente proyecto, pues consiste del siguiente montaje recirculado (lehtola, Laxander, & Miettinen, 2006):
Los resultados sugieren un aumento en la tasa de crecimiento de biopelículas proporcional a un aumento en el caudal de cada tubería; en ambos materiales (cobre y polietileno), el incremento de las biopelículas no tiene mucha influencia sobre el número de bacterias en el agua y finalmente el aumento del flujo lleva a desprendimientos de biopelículas. En este experimento es importante mostrar que los números de Reynolds del flujo, pertenecen a un régimen laminar-transicional siendo el más alto de 2753 en una tubería de cobre, mucho más bajos de los trabajados en el actual documento (mostrados más adelante).
En la Universidad de Porto (Portugal), se realizó un estudio similar “Dynamics of drinking water biofilm in flow/non-flow conditions” traducido al español como “dinámica de biopelículas en agua potable en condiciones de flujo y no flujo” (Melo & Nunes, 2007), esta vez más ligado al aspecto microbiológico de las biopelículas, también en un modelo recirculado, esta vez en más materiales (PVC, polietileno, PMMA, PEX). A diferencia del modelo anterior en este también se registran testigos que cubren la longitud total de la tubería en cuestión, el esquema presentado por los investigadores del montaje es el siguiente:
Figura 2 .Modelo de recirculación empleado por (Melo & Nunes, 2007).
Las conclusiones del estudio son diversas en el aspecto microbiológico, pues el crecimiento de biopelículas no es función del material empleado, en cambio si lo es del régimen de flujo usado (cabe recordar que emplearon también tuberías sin flujo). Además de lo anterior, el estudio observa el crecimiento bacteriano en reactores donde el agua es ingresada después de fluir un tiempo, y finalmente se encuentran con métodos diversos las unidades formadoras de colonias.
En América Latina también se encontraron estudios en biopelículas en tuberías. En la Universidad Federal de Río de Janeiro, por ejemplo se encuentra el documento “Infecções por micobactérias de crescimento rápido resistentes a desinfetantes: uma problemática nacional” que traducido se titula “Infecciones por micobacterias de crecimiento rápido resistentes a desinfectantes: una problemática nacional” , donde sin tener un montaje se hace una revisión bibliográfica de los estudios microbiológicos y epidemiológicos de los efectos de las biopelículas, con el fin de justificar e incentivar el inicio de estudios de crecimiento de biopelículas y mecánicas bacterianas.
En el ámbito nacional, la Universidad de los Andes ha sido pionera en las investigaciones en biopelículas, comenzando en el año 2005, con documentos como “Efecto hidráulico de las biopelículas en tuberías de agua potable” (Sánchez, 2005) en la cual se concluyó principalmente que la rugosidad absoluta y por consiguiente las pérdidas por fricción aumentan con el tiempo en el cual se presenta flujo en las tuberías.
También el documento “Deterioro de la calidad del agua por el posible desprendimiento de las biopelículas en las redes de distribución de agua potable. Estado del arte” (Gelves , 2005). En este documento se encuentran la siguiente conclusión: el suministro de 0.5 mg/L de Cloro, y el incremento en la velocidad hasta un punto en el que se ejerza una fuerza cortante significativa sobre las células fijadas en la biopelícula, son factores importantes en el desprendimiento y contaminación del flujo de la tubería.
Proyectos relacionados más recientes pueden ser citados igualmente, “Modelación de biopelículas en redes de distribución de agua potable alimentadas con Carbono Orgánico Disuelto Biodegradable” Torres (2011) y “Efecto de la velocidad de flujo sobre el crecimiento y desprendimiento de biopelículas alimentadas con CODB mediante pastos en redes de distribución de agua potable” Tamayo (2013). En estos trabajos anteriores se utiliza un montaje similar al presentado en este trabajo, el cual cambia los diámetros de las tuberías y la forma de análisis de los datos, así como ciertas frecuencias de mediciones.
Diversidad de documentos relacionados al tema de las biopelículas diferentes de los presentados anteriormente han sido encontrados en la literatura; algunos de estos serán usados en este documento.
4.
MARCO TEÓRICO
4.1. Biopelículas
4.1.1. Generalidades de las Biopelículas
Una excelente definición de biopelícula es la siguiente: “Las biopelículas son organizaciones microbianas compuestas por microorganismos que se adhieren a las superficies gracias a la secreción de un exopolímero. Estas conformaciones microbianas presentan características como heterogeneidad, diversidad de microambientes, resistencia a antimicrobianos y capacidad de comunicación intercelular que las convierten en complejos difíciles de erradicar de los ambientes donde se establecen” (Betancourth & Botero, 2004).
Estas conformaciones microscópicas gozan de una gran resistencia, debido a la simbiosis que se presenta en su interior, motivo por el cual después de aparecer su tratamiento es complicado. Generalmente el crecimiento de las biopelículas en redes de distribución de agua potable es inevitable, mas controlable (Saber, Ju, & Hsu, 2013). En la actualidad muchos sistemas de abastecimiento de agua potable en el mundo presentan esta situación y por lo tanto es recomendable realizar estudios que permitan desarrollar las acciones necesarias para controlar este fenómeno (Carvajal, Gómez, & Ochoa, 2007). La presencia y formación de la biopelícula en tuberías depende de la interacción de factores como: disponibilidad de nutrientes, condiciones de flujo, temperatura, tipo de superficie y el efecto de las partículas, como es mencionado por Melo (1997) y citado por (Carvajal, Gómez, & Ochoa, 2007).
4.1.2. Dinámica de crecimiento
Las bacterias se organizan en la biopelícula mediante “la detección de quórum” que es básicamente señalización intracelular que involucra la regulación y expresión de ciertos genes mediante moléculas de señalización que proveen protección y supervivencia. Aunque esta característica no siempre es responsable por la formación de la biopelícula si se ha comprobado que influencia el desarrollo de la misma para diferentes especies (Parsek, 2005). Esta organización representan un estrategia de supervivencia, pues además de ordenarse para aprovechar los productos que se ofrecen entre microorganismos y entre comunidades, cuentan con un sistema de canales que son un medio de comunicación entre el medio externo y las capas más cercanas a la superficie para proveer nutrientes y eliminar desechos metabólicos (Betancourth & Botero, 2004).
Modelos de crecimiento bacterianos existen en grandes cantidades en la literatura, pero para biopelículas se encuentran muy pocos y no existe aún un acuerdo en la academia de un método fijo de modelación; esto es debido a la variabilidad entre los datos existentes en los diferentes estudios, que se pueden explicar por la sensibilidad de las biopelículas al ambiente de crecimiento en el que están expuestas y a condiciones como la cloración y la temperatura principalmente (Carvajal, Gómez, & Ochoa, 2007).
La biopelícula se desarrolla a partir de un acondicionamiento superficial con restos orgánicos en la interfase agua-sólido que neutraliza la energía del fluido. Posteriormente se presenta la adherencia de bacterias llamadas pioneras dentro de la capa límite de la tubería, inicialmente por adsorción y luego por adsorción reversible (atracción electrostática y fuerzas físicas). Las bacterias de la biopelícula excretan sustancias poliméricas extracelulares o polímeros pegajosos (limo), las cuales atrapan y cementan las nuevas bacterias a la pared de la tubería. Además, los filamentos del polímero atrapan los escasos alimentos y protegen las bacterias contra sustancias tóxicas. Luego otras células microbianas llamadas “colonizadoras secundarias”, a través del alojamiento físico y la interacción electrostática, metabolizan los desperdicios de las colonizadoras primarias, así como el producto de sus propios desperdicios y que otras células después utilizarán alternadamente. La biopelícula madura, es como un tejido vivo adherido a la superficie de la tubería. Es un complejo metabólico, una comunidad compuesta de diversas especies, cada vida es un micronicho modificado por condiciones particulares. Las biopelículas maduras se pueden describir como "ciudades del limo". El desarrollo de una biopelícula madura puede llevar varias horas o varias semanas, dependiendo del agente que origine su adhesión: tipo de tratamiento del agua, las condiciones de operación del sistema, la velocidad del flujo, etc (Characklis & Marshall, 1990).
A medida que la biopelícula aumenta su espesor y las colonias individuales maduran, ocurre que estas pierden su asociación con la superficie colonizada dando paso a asociaciones entre células de diferentes especies para llevar a cabo procesos fisiológicos complejos como la producción de metano para poder sobrevivir (Costerton, 2003).
Figura 3. Formación de biopelícula (Carvajal, Gómez, & Ochoa, 2007).
Como se evidencia de diferentes autores, las biopelículas constituyen un microsistema biológico de gran importancia y capacidad de resiliencia ante estímulos externos, de ahí que se haga difícil mantenerlas al margen. Los procesos simbióticos siempre tienen incorporado un cierto factor de seguridad para los organismos, de modo que una comunidad simbiótica sea mucho más compleja que una comunidad monoespecífica. El desarrollo de una biopelícula tarda muy poco tiempo, de modo que fallas cortas en el tratamiento, o en el proceso de cloración pueden dar lugar a cambios en la hidráulica de las redes de distribución, causando así problemas complejos de salud pública y calidad del servicio.
4.1.3. Aspectos microbiológicos
En las biopelículas se encuentran trazas de diversidad de microorganismos, desde protozoos grandes, casi fuera de la escala microscópica, hasta bacterias patógenas, como la legionella; se realizará una descripción corta de cada una de las características relevantes en el crecimiento de las biopelículas.
4.1.3.1 Materia Orgánica Biodegradable (MOB)
El crecimiento bacteriano en los sistemas de abastecimiento de agua está constituido en parte por bacterias heterótrofas, organismos que obtienen energía y carbono para su crecimiento y reproducción a partir de materia orgánica degradable (MOB). La mayor parte de este requerimiento de carbono está suplido por el carbono orgánico disuelto (COD) en el agua del medio circundante (Knobelsdorf & Mujeriego, 1997). Actualmente es bien conocido que no todo el carbono presente en el medio, puede ser efectivamente usado por los organismos para llevar a cabo sus procesos metabólicos, razón por la cual se ha creado un nuevo parámetro en el crecimiento bacteriano, el Carbono Orgánico Disuelto Biodegradable (CODB) y más importante aún, la fracción de este que se puede convertir posteriormente en biomasa el Carbono Orgánico Asimilable (COA).
4.1.3.2 Nutrientes
A continuación se enumeran los principales nutrientes de los cuales se han encontrado asociaciones con el crecimiento bacteriano, tal y como en mostrado en Tamayo (2013):
Nitrógeno: En algunas situaciones al agua se le adiciona amonio para que se formen cloroaminas. Este es un donador de electrones lo que puede causar la proliferacion de bacterias oxidantes de amonio y una disminución del cloro residual (Vanegas, 2010). Las fuentes de nitrógeno son los ácidos húmicos y fúlvicos, los nitritos y nitratos del agua.
Fósforo: El fósforo en forma de fosfato se ha mostrado ser escaso en ciertos tipos de agua y en muchas ocasiones no está disponible para ser metabolizado por las bacterias. Se ha establecido en estudios que la limitación de este en el agua no tiene influencia en el desarrollo de la biopelícula, pero nuevos estudios dejan ver que no se tiene la certeza de esto (Chandy & Angles 2001).
Iones metálicos y sales: Algunos elementos esenciales, por ejemplo cinc, cobre, cobalto, hierro, molibdeno, son necesarios para la actividad de enzimas específicas. Por ejemplo el óxido de hierro estimula el crecimiento de bacterias coliformes (Gelves, 2005).
4.1.3.3 Temperatura
La temperatura tiene un papel muy importante en el crecimiento bacteriano, por ende también lo tiene en el crecimiento de biopelículas. La temperatura es importante en la formación de biopelícula y se ha encontrado que cuando un fluido aumenta de 35° a 40 °C el espesor de la biopelícula aumenta en un 80%, esto para procesos de remoción de bacterias en residuos líquidos (Carvajal, Gómez, & Ochoa, 2007). La temperatura también influye en las especies presentes en la biopelícula; por ejemplo, en temperaturas que llegan a los 37ºC se han encontrado concentraciones de legionella, significativamente más altas que las encontradas en muestras hidráulicamente iguales a 25ºC (Van Der Koogi, Veenendaal, & Scheffer, 2005).
Haciendo énfasis en el objetivo principal de este documento, se han encontrado relaciones tanto positivas como negativas de los efectos de velocidad, área superficial, rugosidad y otras características que se pueden considerar hidráulicas a la luz de su utilización en ecuaciones de diseño como la ecuación de Darcy-Weisbach, y su asociación mayor con el número de Reynolds.
En cuanto a la velocidad, esta está relacionada con el esfuerzo cortante en la pared de la tubería. De hecho, los métodos de limpieza de las tuberías en su interior se llevan a cabo mediante el uso de técnicas de lavado hidráulico, las cuales aumentando la velocidad en las tuberías limpian el interior de las mismas de arenas, sedimentos y biopelículas (Carvajal, Gómez, & Ochoa, 2007). El Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico (RAS) que es el documento normativo en el campo de hidráulica en Colombia exige velocidades de lavado para tuberías fluyendo parcialmente llenas; este valor fue extrapolado por algunos autores para comprobar la limpieza en tuberías fluyendo completamente llenas, encontrando resultados satisfactorios. Contrariamente un estudio reciente de Tsai (2006), no encontró ninguna interacción de formación de biopelículas con esfuerzos cortantes, confirmando la variabilidad de los resultados de estos estudios.
El área transversal también posee cierta sensibilidad en el crecimiento de las biopelículas; de hecho, estas aparecen con mayor frecuencia en áreas mayores, con menor curvatura (Van Der Koogi, Veenendaal, & Scheffer, 2005).
El material ha sido tema de gran interés; este ha mostrado resultados de asociación positivos en materiales como el acero, a comparación de otros mucho menos rugosos como el PVC (Hallam, West, & Forster, 2001). Tuberías de materiales mucho menos rugosos como PVC, vidrio o teflón no presentan cambios significativos en las tasas de crecimiento de las biopelículas.
Como se puede concluir, las características hidráulicas tienen relevancia en el crecimiento de biopelículas; experimentos realizados alrededor del mundo muestran de manera periódica variaciones en función de las características hidráulicas del sistema.
Recientemente el Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados de la Universidad de los Andes (CIACUA) ha publicado varios documentos de grado, en los cuales las conclusiones apuntan generalizadamente a una dependencia altísima del tiempo de circulación, la cantidad de sustratos y el material respecto a otras variables (Tamayo (2013), Díaz (2013), Latorre (2013)).
4.1.3.5 Concentración de desinfectante
La concentración del desinfectante (de existir), es un factor muy importante a la hora de conocer el crecimiento de las biopelículas. La simple presencia de un residual de desinfección es un factor importante en la microbiología del agua potable. Se han encontrado mayores cantidades de patógenos esporulados en aguas sin desinfectante residual, tratadas con métodos fotoeléctricos o con ozono (Guimaraes, 2001).
4.1.4 Problemas asociados
La problemática asociada con las biopelículas se puede dividir principalmente en dos frentes; por una parte el frente de salud pública que es el de mayor prioridad debido a que están en juego vidas humanas, y en otro frente la calidad del servicio prestado, que no solo se limita a problemas de olor y sabor, sino a problemas en la presión de servicio debido a los cambios hidráulicos que se presentan en las tuberías a causa del crecimiento de las biopelículas.
4.1.4.1 Salud pública
Los problemas de salud pública se deben priorizar y es que la mayoría de problemas asociados con enfermedades diarreicas como el Cólera o la Disentería tienen como vector de transporte mayoritario el agua. Las biopelículas son ambientes aptos para patógenos de alta virulencia como legionella, Mycobacteriumspp, Aspergillus y Cryptococusspp entre otros (Betancourth & Botero, 2004).
Las biopelículas como tal no representan un riesgo pues están conformadas por organismos que son eliminados fácilmente en el cuerpo; es más, están en concentraciones bajas en el agua tratada, aún si esta es desinfectada con cloro o alguna otra técnica de desinfección. El efecto indeseado de las biopelículas es su accionar como hospedero de patógenos como los antes mencionados. Las cantidades de ATP debidos a legionella en agua potable son tan significativamente altas en algunas biopelículas, que un desprendimiento mínimo de alguna parte de la biopelícula puede llevar a concentraciones mucho más grandes que las permitidas en la norma holandesa, por ejemplo (Van Der Koogi, Veenendaal, & Scheffer, 2005). Otra cepa de bacterias igualmente patógenas son conocidas generalmente bajo el plural de coliformes fecales, los cuales están presentes en el agua potable con un bajo nivel de tratamiento, o en aguas de alcantarillado que eventualmente filtran
leves cantidades de aguas residuales accidentalmente a sistemas de acueducto mal diseñados.
4.1.4.2 Comportamiento hidráulico
Los principales problemas hidráulicos se deben al aumento de la rugosidad y la disminución del radio hidráulico del flujo. El crecimiento de biopelículas lentamente cambia el interior de las tuberías, como se muestra a continuación:
Fotografía 1. Tubería con biopelícula. Tomado de (http://www.dicyt.com/viewItem.php?itemId=16116) el día 6 de Noviembre de 2013.
Los cambios más importantes incluyen un aumento en el coeficiente de rugosidad; este se ve reflejado consecuentemente en unas mayores pérdidas de altura de agua en el flujo. Este proceso continuo en muchas tuberías que hacen parte de un sistema puede llegar a tomar más relevancia de la que a primera vista podrían llegar a tener. Se han requerido en ocasiones bombas para poder superar trayectos muy atacados por estos organismos adheridos; también se han encontrados cambios en los intercambios de energía del agua al medio al aparecer las biopelículas.
Como se mostrará a continuación las pérdidas son modeladas con ecuaciones físicamente basadas, que no tienen en cuenta crecimientos biológicos debido a la complejidad de su modelación y a la antigüedad de estas mismas.
4.2 Actualidad y aspectos relevantes
En la actualidad los estudios de biopelículas y su monitoreo se han incrementado de una forma muy alta; nuevas tecnologías como el monitoreo en tiempo real haciendo uso de microondas están siendo empleadas en programas pilotos en campo. Las microondas a diferencia de las ondas ultrasónicas no se ven tal alteradas por el fluido y su flujo (Saber, Ju, & Hsu, 2013).
Transductores eléctricos son también usados en la detección remota de biopelículas, usando la constante dieléctrica de un polímero extracelular. Estas tecnologías están siendo estudiadas para tener mediciones más precisas que permitan mejorar los estudios actuales y aún más importante, conocer el estado de los sistemas existentes de tuberías. Queda aún un camino importante por recorrer en la modelación de biopelículas en el cual métodos de alta sensibilidad de medición directa son importantes.
Actualmente las biopelículas son controladas haciendo uso de lavado hidráulico y desinfectante residual; la norma RAS colombiana no tiene aún estándares completamente fijados para el tema único de biopelículas, pero si contempla su existencia.
4.3 Hidráulica del flujo en tuberías
Los regímenes hidráulicos que se presenten dentro del sistema de distribución de agua, es uno de los factores con mayor influencia en la determinación de niveles de materia orgánica y contacto de los microorganismos con el desinfectante residual (Tamayo, 2013). La velocidad de flujo es responsable del esfuerzo cortante que genera el desprendimiento de las biopelículas dentro de las tuberías, del nivel de nutrientes y desinfectantes que están en contacto con la misma. Esta y otras variables permiten abordar el estudio del comportamiento del agua dentro de los sistemas de distribución mediante las ecuaciones básicas de la hidráulica de tuberías que permiten entender las pérdidas de energía descritas en los experimentos de Reynolds, la ecuación físicamente basada de Darcy-Weisbach y la ecuación del factor de fricción de Coolebrook-White (Saldarriaga, 2007).
4.3.3 Número de Reynolds
El número de Reynolds es un número adimensional que es hallado por medio de un análisis de factores adimensionales que permite describir la hidráulica de un flujo
con base en sus principales características; a continuación se muestra detalladamente su expresión:
Re: Número de Reynolds d: Diámetro de la tubería v: Velocidad
u: Viscosidad cinemática
El número de Reynolds fue fragmentado de modo que existen ciertos rangos de este que muestran ciertas características de flujo; a continuación se muestran estos rangos y se describen brevemente sus principales características:
Flujo laminar: Se refiere al flujo en el cuál el agua se mueve en capas ya que el gradiente de velocidad es bajo y la fuerza inercial es mayor que la de fricción. Las partículas siguen trayectorias definidas sin que exista intercambio de fracciones de fluido entre ellas (Saldarriaga, 2007). El rango de este flujo varía desde 0 hasta 2000.
Flujo transicional: El caudal que se define depende de las condiciones del experimento para el cual este fenómeno se presenta, si la turbulencia remanente en el tanque de entrada es baja, la transición demora en presentarse. Si el grado de aquietamiento inicial es alto, la transición puede presentarse rápidamente (Saldarriaga, 2007). Este flujo no es conveniente a la hora de realizar experimentación ya que como se mencionó no se conoce demasiado acerca de su comportamiento en general, es inestable para ser modelado con precisión. Los rangos de número de Reynolds para este flujo se encuentran entre 2000 y 5000.
Flujo Turbulento: con el aumento del gradiente de velocidad se incrementa la fricción entre partículas vecinas al fluido, las cuales adquieren una energía de rotación apreciable por lo que el vector de velocidad de cada una no está bien definido causando que las partículas choquen entre sí y cambian de rumbo en forma errática. Comúnmente se habla de velocidad promedio para este tipo de flujo, debido a que no es permanente (Saldarriaga, 2007). Los rangos de número de Reynolds para este flujo son de 5000 hasta cualquier valor que el número pueda llegar a alcanzar.
Con estas definiciones anteriores es un poco más fácil manejar un determinado flujo, puesto que el solo hecho de conocer su número de Reynolds da una idea
correcta de las características del flujo, sin necesidad de conocer absolutamente todos los parámetros físicos que rodean este fenómeno.
4.3.4 Fuerzas cortantes y pérdidas de energía
Los fenómenos de pérdida de energía y esfuerzos debidos al flujo fueron estudiados ampliamente por diversos científicos; finalmente se llegó a las siguientes premisas, que aún el día de hoy siguen siendo aceptadas debido a su buen funcionamiento en la práctica así como por su fundamentación física. La interacción de la pared sólida de las tubería con el flujo del agua fue relacionada con las pérdidas existentes en el flujo; se encontró que siempre en las cercanías de la pared del tubo, sin importar el régimen de flujo existente debía existir un flujo, cuya velocidad variará comenzando de cero en la pared, hasta valores diferentes conforme se aleja de la superficie sólida:
Figura 4. Capa límite. Tomado de (http://www.elsevier.pt/es/revistas/archivos-cardiologia-mexico-293/artigo/caracterizacion-del-flujo-pulsante-vascular-mediante-observaciones-iin-90168827) el día 6
de Noviembre de 2013.
En el flujo turbulento, existe a su vez una subcapa laminar viscosa, mucho menor que la capa límite, esta es influida por la superficie sólida y en ella priman las fuerzas viscosas por encima de las inerciales (Saldarriaga, 2007).
Figura 5. Subcapa laminar Viscosa (Guimaraes, 2001).
Posterior a conocer teóricamente la existencia de la capa límite, se buscó una expresión que permitiera conocer el espesor de la capa viscosa; esta se encontró derivando de la ecuación de viscosidad de Newton para flujo laminar, un perfil de velocidades en el área turbulenta y límite e igualando estos valores. La expresión encontrada es la siguiente:
Ecuación 1. Espesor de la capa límite
en donde:
La comparación entre la rugosidad de la superficie y el espesor de la subcapa, para flujos turbulentos, lleva a una nueva distinción de flujos (Saldarriaga, 2007), donde:
El flujo es hidráulicamente liso si Es hidráulicamente rugoso si
Para el diseño de tuberías, las ecuaciones generadas deben permitir al diseñador conocer las pérdidas de energía al interior de las tuberías; las ecuaciones anteriores no cumplían este requisito, luego un nuevo análisis era requerido. La ecuación de Darcy-Weisbach permitió conocer las pérdidas que existían en las tuberías conociendo el valor de un factor adimensional (f); este se conoció tiempo después con la ecuación igualmente basada en la física, conocida como ecuación de Colebrook-White, a continuación se relacionan ambas ecuaciones:
Ecuación 2. Ecuación de Darcy-Weisbach
donde:
El cálculo del factor se realiza con la siguiente fórmula:
Ecuación 3. Ecuación de Colebrook-White
Esta última ecuación fue un gran avance en la época ya que permite relacionar variables turbulentas y laminares que permiten encontrar el factor f, aún así su implementación es compleja, debido al requerimientos de cálculos iterativos. De hecho antes de la invención de esta ecuación los diseñadores empleaban el trabajo del ingeniero Lewis Moody (1944).
Figura 6. Diagrama de Moody. Tomado de (http://www2.uah.es/rosal/virtual/tablas.htm) el día 8 de Noviembre de 2013
Representa en una escala doblemente logarítmica el número de Reynolds y la rugosidad relativa, permitiendo de esta forma encontrar el factor de fricción (f ) y usarlo en el desarrollo de ecuaciones de diseño.
5
DESCRIPCIÓN DEL MODELO EMPLEADO
El modelo empleado en esta investigación fue creado para seguir los lineamientos de las tesis anteriores de Tamayo (2013) “Efecto de la velocidad de flujo sobre el crecimiento y desprendimiento de biopelículas alimentadas con CODB mediante pastos en redes de distribución de agua potable”, Trujillo(2012) “Modelación física de biopelículas en redes de distribución de agua potable alimentadas con carbono orgánico disuelto ”y Vargas(2012) “Biopelículas alimentadas con CODB mediante pastos: Dinámica de crecimiento y desprendimiento en sistemas de distribución de agua potable”, cambiando el diámetro de la tubería y las características de flujo. El montaje fue creado desde ceros, con agua proveniente del acueducto de Bogotá, y tuberías de PVC, entre otros materiales que serán mencionados más adelante.
Figura 7. Montaje modelo (Tamayo, 2013), (modificado por el autor)
5.1 Proceso constructivo del montaje
Para la experimentación y toma de datos, se hizo uso del Laboratorio de Hidráulica de la Universidad de los Andes, en un modelo recirculado. A continuación se muestran algunas imágenes del mismo:
Fotografía 2. Imágenes de la extracción de los testigos.
En la Fotografía 2 se muestra una parte de la etapa constructiva del modelo empleado en el proyecto, en el cual de los tubos son extraídas pequeñas partes para posteriormente llevar un control del crecimiento de la biopelícula.
5.2 Tuberías
Para el montaje se emplearon tres tuberías biaxiales de PVC de 6 pulgadas de diámetro. Estas fueron instaladas en el anterior montaje, siguiendo las recomendaciones del fabricante; en su interior no se realizó ninguna limpieza
previa, para simular de la mejor manera la forma en la cual son instaladas las tuberías en campo.
Las tuberías fueron perforadas para la instalación de los testigos de presión, así como cortadas para tomar el muestreo de los testigos.
Fotografía 3. Tuberías de 6” instaladas
La Fotografía 3 muestra las tres tuberías dispuestas en paralelo en las cuales se realizaron las mediciones del proyecto.
5.3 Válvulas
Las válvulas del modelo se encargan de generar las pérdidas necesarias antes de que el flujo ingrese a las tuberías; de esta forma su abertura controla de manera directa la cantidad de agua que pasa por las tuberías. Para este modelo las válvulas empleadas son las mismas que las usadas por Tamayo (2013). Las válvulas en el modelo se encuentran a 0.18 metros del codo que conecta al tanque elevado con la tubería de PVC; estas fueron abiertas de la siguiente manera:
Válvula 1: Apertura de 10 vueltas Válvula 2: Apertura de 5 vueltas Válvula 3: Apertura de 15 vueltas
Se intentó hacer llegar el flujo al régimen laminar, pero esto fue imposible dadas las características hidráulicas del sistema y las complicaciones de medición del régimen laminar; estas serán comentadas con detenimiento más adelante.
Fotografía 4. Válvulas empleadas para regular el flujo
5.4 Motobomba
La bomba empleada es una bomba eléctrica centrífuga, que permite hacer recircular el flujo desde un reservorio hasta el tanque elevado que finalmente provee la altura necesaria para mantener el flujo. Esta permanece activa todos los días hábiles de 7:00 a 18:00, quedando inactiva en horas de la noche.
Fotografía 5. Motobomba del modelo (Tamayo, 2013)
5.5 Tanque elevado
El tanque elevado es un tanque de PVC, en el cual la motobomba deposita el agua del tanque reservorio. El tanque permite una altura constante en el estado estable del sistema puesto que llegado cierto nivel tiene un vertedero que devuelve el exceso de agua al tanque reservorio, el tanque empleado se puede observar en la fotografía 6. En su parte superior el tanque esta destapado de modo que no permite presión superior a la generada por la altura de la bomba.
5.6 Piezómetros
Los piezómetros empleados son agujeros hechos a la tubería en posiciones estratégicas (1.2 metros de la válvula: zona donde se espera la turbulencia debido a las pérdidas en la válvula y a la entrada no sea significativas en el flujo y a 1.2 metros de los testigos: se deja esta distancia para evitar cualquier tipo de influencia de los testigos en las mediciones de presión). Estos agujeros en la tubería están conectados por medio de manguera de 5 milímetros a un tablero de medición que permite leer con una precisión de 1 milímetro la altura que lleva la tubería en los puntos de medición.
Los piezómetros se ubicaron seguidos, es decir el que corresponde a la posición 1 de aguas arriba al lado del que corresponde a la misma posición 1 aguas abajo, para facilitar el trabajo al observador al mirar las diferencias.
En las Fotografías 7 y 8 se muestra el tablero de piezómetros, junto con una medición particular. La Fotografía 9 muestra la salida de alguna de las tuberías hacia el tablero.
Fotografía 8. Tablero del piezómetro
Fotografía 9. Salida del testigo en la tubería
Los piezómetros tienen el problema de la precisión limitada a máximo 1 mm, de modo que en flujos con poca velocidad y por consiguiente pocas pérdidas, las lecturas que se hacen pueden ser erradas; por esto después de la segunda medición
realizada se comienzan a evitar valores en donde las mediciones sean inferiores a la precisión de la medida.
5.7 Vertederos
Los vertederos son triangulares, en acrílico. Su forma permite tener mayor precisión en medidas pequeñas ya que como se observará sus ecuaciones de calibración son sensibles a valores grandes. Antes de llegar al vertido, se tienen disipadores de energía, compuestos por rocas que hacen del flujo entrante un flujo menos turbulento y permiten tener una lámina de agua relativamente lisa, en la cual el limnímetro puede ser empleado de forma correcta.
En las Fotografías 10 y 11 se muestran los vertederos, funcionando y vacíos.
Fotografía 11. Imagen del vertedero triangular
Las ecuaciones que permitieron conocer el caudal en cada tubería son (Tamayo, 2013):
Tabla 1. Ecuaciones de calibración de los tres vertederos
Figura 8. Curva del vertedero correspondiente a la tubería 1
Figura 9. Curva del vertedero correspondiente a la tubería 2
0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00
0 10 20 30
Ca u d al es (L PS ) Alturas (cm)
Vertedero 1
Vertedero 1 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,000 10 20 30
Ca u d al es (L PS ) Alturas (cm)
Vertedero 2
Vertedero 2Figura 10. Curva del vertedero correspondiente a la tubería 3
Las Figuras 8, 9 y 10 se incluyen para mostrar como en bajos caudales la sensibilidad es baja, es decir un cambio en la altura bajo, lleva a un cambio grande en el caudal, por la precisión del limnímetro para caudales muy grandes también se tiene una limitante importante.
5.8 Elementos de medición
Para la medición de caudales, temperaturas y concentraciones de cloro se usaron respectivamente los siguientes elementos:
5.8.3 Limnímetro
El limnímetro empleado mide con una precisión de decimas de milímetro la altura de la lámina de agua, que luego será ingresada en las ecuaciones de los diferentes vertedero.
5.8.4 Termómetro
El termómetro empleado mide con precisión de decimas de grado (tanto ºC como ºF) la temperatura del agua y de cualquier fluido en general, este se encuentra
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00
0 10 20 30
Ca u d al es (L PS ) Alturas (cm)
Vertedero 3
Vertedero 3calibrado de fábrica y se demora unos veinte segundos en estabilizar su medición a la más cercana en su rango de precisión.
Figura 11. Termómetro resistente al agua, Tomado de (http://www.traverstool.com.mx/hp_150/96-017-421.html) el 2 de Noviembre de 2013
5.8.5 Medidor de concentración de cloro en piscinas
Para medir la concentración de cloro “residual” en el montaje se hizo uso de una herramienta muy común empleada con frecuencia en piscinas y demás facilidades. Este usa el cambio óptico de color que presenta una disolución de cloruro en presencia de OTO un compuesto del fenol que reacciona con el cloro y el bromo cambiando el color de la solución, este color obtenido se comparaba con el dado en unos patrones en el test. En la figura 12 se puede observar el medidor empleado.
Fotografía 12. Medidor de cloro para piscinas empleado en el modelo
5.9 Testigos
Los testigos son pequeñas piezas de 4 x 7 cm, que están en contacto directo con el flujo. Estos fueron hechos con el fin de comparar cualitativa y cuantitativamente la biopelícula que aparece. Estos fueron pesados secos y posteriormente con su biopelícula respectiva, en cortos tiempos para evitar desnaturalizar la biopelícula; su medición se hace de a pares.
Además de los testigos, existe en cada tubería un testigo de centro mucho más grande 4 x 10 cm; estos se extraen para ser pesados cada vez que se tuviese programada medición de testigos en general.
Para la medición de testigos estos son retirados semanalmente (dos pares), pesados y los datos encontrados son comparados con datos anteriores. Las Fotografías 13 y 14 muestran los testigos en la tubería y después de ser retirados para ser pesados.
Fotografía 13. Testigos instalados en las tuberías
Los testigos fueron medidos en trabajos anteriores con una frecuencia semanal; sin embargo la frecuencia en este estudio es menor, debido a que en las primeras mediciones cualitativamente no se encontró ninguna diferencia entre mediciones.
5.10 Tanque reservorio
Es el tanque donde los vertederos vierten el caudal que circula en las tuberías, así mismo en este es donde se encuentra en contacto el agua con la fuente de carbono.
6
METODOLOGÍA DE PROYECTO
A continuación se muestra de forma detallada, el procedimiento de toma y análisis de datos, mantenimiento del modelo y mediciones.
6.1 Adición de carbono orgánico
Siguiendo los lineamientos establecidos anteriormente en estudios similares realizados, la fuente de carbono empelada fue sp. Pennisetum Clandestinum, conocido popularmente como Pasto Kikuyo (Tamayo (2013), Vargas (2012) , Trujillo (2011) , Hernández y Donoso (2009)). Esta especie de pasto crece en el clima frío bogotano de forma silvestre. Para evitar que cualquier material diferente al pasto fuese incorporado al modelo, este fue recolectado manualmente por personal del laboratorio y revisado cuidadosamente en busca de elementos diferentes que pudiesen afectar el buen funcionamiento del modelo. El pasto fue envuelto en una bolsa de legumbres de modo que permitía su interacción con el flujo, mas en ningún momento permitía que hojas entraran al sistema.
La frecuencia de adición de la fuente de carbono fue mensual, considerándose suficiente dadas las características del pasto y la cantidad agregada.
Figura 12. Pasto kokuyo y bolsa tejida empleada en la adición de COA
Los días de adición de Carbono fueron:
Día 17 de Septiembre: Correspondiente al día 0 del modelo
Día 18 de Octubre: Correspondiente al día 5 de medición del modelo Día 22 de Noviembre: Correspondiente al día 9 de medición del modelo
6.2 Condiciones normales de operación
Las condiciones establecidas de operación son las siguientes: Tubería 1: 17 litros por segundo (Re= 122560) Tubería 2: 11,06 litros por segundo (Re= 70425) Tubería 3: 38,70 Litros por segundo (Re= 312593)
Como se mencionó anteriormente el modelo funciona de 7:00 a 18:00 los días hábiles de la semana (lunes a sábado, excepto días feriados). El modelo se encendió el día 17 de septiembre de 2013, en forma completamente operativa, es decir cuando su funcionamiento fue lo suficientemente bueno para comenzar el proyecto. El modelo fue acabado el día 5 de Septiembre de 2013, pero a falta de una tubería no se circuló desde ese momento.
La tubería 2 tiene una semana de rezago respecto a las tuberías 1 y 3, las cuales fueron instaladas primero. Los testigos no presentaron ninguna fuga detectable después de la puesta en marcha total del modelo; los vertederos fueron revisados exhaustivamente en busca de fugas, sin encontrarse ningún problema.
Es posible observar las tuberías fluyen normalmente en un flujo turbulento, dadas las características del material (PVC) se espera tener un flujo turbulento hidráulicamente liso, en un escenario ideal.
Los días 8, 15 y 22 de Noviembre del año 2013, que se tenían programadas mediciones no fueron medidos los datos respectivos dadas circunstancias ajenas al estudio como la deficiencia de fluido eléctrico en la ciudad de Bogotá, y el mantenimiento realizado al laboratorio.
Figura 13. Diagrama de flujo de funcionamiento del modelo (Tamayo, 2013)
6.2.3 Cloro residual
La medición del cloro es realizada con una frecuencia diaria, para asegurar que la biopelícula no reciba más cloro del que normalmente tendría en un ambiente normal de trabajo en una tubería de agua potable; también se asegura que no sobrepase el límite de 2mg/L, que pueden acabar la biopelícula o desnaturalizarla. Dada la poca precisión que se obtiene con esta medición el proceso de cloración se hace de forma aproximada, usando un pebetero que es alimentado con 45 gramos de cloro diarios. Por experiencia se encontró que esta modalidad mantiene las concentraciones de cloro estables por lo menos en el intervalo de funcionamiento de la motobomba.
De la adición de cloro se encontró que Trujillo (2011) planteó una adición inicial de hipoclorito de calcio de 20.5, pero debido a que el agua es recirculada el cloro residual va disminuyendo a través del tiempo. Tomando como referencia las curvas de cloro residual del modelo planteadas por Tatiana Vargas se planteó una concentración inicial de cloro de 47.6 g de que debía ser introducido en el sistema, diluido en agua, cada día.
La fotografía 15 muestra una parte del sistema de adición de cloro (modificada para mejor contraste):
Fotografía 15. Pebetero empleado en la adición constante de cloro.
Gráfica 1. Curva de concentración de cloro, mediciones dos veces al día
El día lunes el modelo se encontraba por completo desprovisto de cloro, dado que este tenía una concentración tan baja que no era detectada con el método de medición; luego de la primera dosis el día lunes en la mañana en el pebetero, la concentración se estabilizaba llegando al valore deseado.
6.2.4 Medición de testigos
Los testigos son retirados y pesados con el procedimiento encontrado en la figura 14. 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60
0 2 4 6 8 10 12
Con cent ra ción (m g/l )
Medición mañana y tarde (diaria)
Concentración de Cloro
Figura 14. Diagrama de flujo para la medición del espesor de la biopelícula (Tamayo, 2013)
6.2.5 Cálculo del espesor de la biopelícula
Para el cálculo del espesor de la biopelícula se emplea el siguiente procedimiento, que es idéntico al usado por Tamayo (2013):
El peso obtenido en los testigos de borde es acumulado; por tanto debe restársele el peso de la fecha inicial para determinar el espesor de la biopelícula.
El peso de los testigos de centro es el registrado en la fecha de medición, y por ende el espesor de las biopelículas se calcula de manera diferente para cada tipo de testigos
Tabla 2. Ecuaciones de calculo para la medición de testigos (Tamayo, 2013)
Las ecuaciones presentadas en la tabla 2 muestran la manera en la cual son calculados los grosores de la biopelícula en los diferentes testigos; relacionando el cambio de peso debido a la dinámica de crecimiento de la biopelícula con el área y la densidad de la biopelícula.
De estas ecuaciones y con los pesos iniciales se puede hallar la tasa de crecimiento de las biopelículas. Este procedimiento es problemático debido a que dejar los testigos fuera del medio natural desnaturaliza las biopelículas, pero el realizar las mediciones de peso con el testigo húmedo lleva a pesar el agua contenida en este, sin poder diferenciar el peso adicional de lo que es realmente biopelícula y lo que es agua.
La velocidad de crecimiento se calcula como una tasa simple, de la siguiente manera (Tamayo, 2013):
6.2.6 Medición de las pérdidas
Para la medición de las pérdidas se llevo a cabo el siguiente procedimiento de forma semanal:
Figura 15. Diagrama de flujo para la medición de pérdidas (Latorre, 2012)
Es importante resaltar que el procedimiento de análisis de las pérdidas es realizado de manera diferente en este trabajo, respecto a los anteriores trabajos realizados en el mismo campo, en los siguientes aspectos:
Para mejorar la calidad de los datos obtenidos, estos se han ordenado estadísticamente, cambiando el peso de cada uno de los piezómetros en el total de la medición. Los piezómetros que se encuentran en el fondo de la tubería, tienen por acción de la gravedad y la diferencia de densidades entre el aire y el agua mejores mediciones, pues en los piezómetros en ningún momento se filtra aire, que pueda alterar la medición.
Los datos son filtrados de forma que si en algún momento un dato supera en un 30% el valor del promedio de los otros 3, este es eliminado. Esta verificación llevó a un mejor ajuste y confirma lo anteriormente mencionado respecto a los piezómetros ubicados en la parte inferior de la tubería.
Para hallar el ks medio se llevaron a cabo dos cálculos, el primero promedia cada ks obtenido en la ecuación de Colebrook-White y el segundo lo encuentra optimizando la ecuación de Colebrook-White para ks, con parejas ordenadas de facto de fricción y número de Reynolds.
La determinación de los parámetros hidráulicos, se realizo de la siguiente manera:
7
RESULTADOS DEL PROYECTO
7.1 Crecimiento de la biopelícula asociada con testigos de capa
Los testigos se retiraron en 4 ocasiones. A continuación se muestran las gráficas de su espesor. Para tener las fechas más claras se mostrará en que día exacto fueron tomados los testigos para pesaje, para comparar el espesor de la capa con los ks encontrados más adelante. El análisis mostrado a continuación para testigos se separará por tubería.
La densidad de la biopelícula es 1,002 veces la densidad del agua según Charackils & Marshall (1990), razón por la cual se asumirá este valor.
7.1.1 Tubería 1
Testigo 1
Fecha Días Peso Diferencial Espesor Tasa de cambio
día/mes/año (-) (gramos) (gramos) (milímetro) (milímetro/día)
27/09/13 2 140,3218 1,0106 0,006308686 0,000901241
04/10/13 3 140,2011 0,8899 0,005555214 -0,000107639
11/10/13 4 139,3168 0,0056 3,49581E-05 -0,000788608
18/10/13 5 139,5254 0,2142 0,001337147 0,000186027
25/10/13 6 139,3628 0,0516 0,000322114 -0,000145005
01/11/13 7 139,528 0,2168 0,001353377 0,000147323
Gráfica 2. Variación temporal del espesor de la biopelícula, tubería 1
Es posible observar que no se encuentra un patrón de crecimiento identificable. Los primeros días cuando la fuente de carbono es abundante se observa un crecimiento rápido de la biopelícula; este valor puede ser un poco excesivo y podría tender a tomar en cuenta la humedad del testigo recién retirado por encima de la biopelícula real.
7.1.2 Tubería 2
Testigo 2
Fecha Días Peso Diferencial Espesor Tasa de cambio
día/mes/año (-) (gramos) (gramos) (milímetro) (milímetro/día)
27/09/13 2 138,715 0,2467 0,001568342 0,000224049
04/10/13 3 139,0077 0,5394 0,00342912 0,000265825
11/10/13 4 138,708 0,2397 0,001523841 -0,000272183
18/10/13 5 139,0883 0,6200 0,003941517 0,000345382
25/10/13 6 139,0586 0,5903 0,003752706 -2,69731E-05
01/11/13 7 139,0659 0,5976 0,003799114 6,62974E-06
Tabla 4. Cálculos de espesor, tubería 2
0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007
0 2 4 6 8
Esp
eso
r(m
m)
Días
Espesor Tubería 1
Espesor de la biopelícula
Gráfica 3. Variación temporal del espesor de la biopelícula, tubería 2
En la tubería 2, se observa con claridad una oscilación grande entre dos días (2 y 4), esto podría deberse a un proceso de desprendimiento de la biopelícula, las pendientes pronunciadas muestran como el crecimiento puede ser extremo entre dos días, y como al final los datos se están haciendo más uniformes. Esta tubería tiene el menor número de Reynolds del ensayo, es evidente que el espesor de su biopelícula es mayor en los últimos días.
7.1.3 Tubería 3
Testigo 3
Fecha Días Peso Diferencial Espesor Tasa de cambio
día/mes/año (-) (gramos) (gramos) (milímetro) (milímetro/día)
27/09/13 2 138,3095 0,4915 0,002994618 0,000427803
04/10/13 3 137,8977 0,0797 0,000485597 -0,000358432
11/10/13 4 138,6141 0,7961 0,00485049 0,000623556
18/10/13 5 138,2259 0,4079 0,002485259 -0,00033789
25/10/13 6 138,1955 0,3775 0,002300037 -2,64602E-05
01/11/13 7 137,9284 0,1104 0,000672647 -0,000232484
Tabla 5. Cálculos de espesor, tubería 3
0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 0,0025 0,003 0,0035 0,004 0,0045
0 2 4 6 8
Esp
eso
r(m
m)
Días
Espesor Tubería 2
Espesor de la biopelícula
Gráfica 4. Variación temporal del espesor de la biopelícula, tubería 3
Estos valores son muy variables y no permiten concluir de forma adecuada que podrá estar sucediendo realmente en la biopelícula. Esta tubería es la que tiene el mayor número de Reynolds por tanto el mayor cortante en las paredes de acuerdo a (Saldarriaga, 2007) eso podría mostrar la disminución en el espesor en los últimos días.
Gráfica 5. Comparación de la dinámica de crecimiento en las tres tuberías
0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006
0 2 4 6 8
Esp
eso
r(m
m)
Días
Espesor Tubería 3
Espesor de la biopelícula 0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007
0 2 4 6 8
Esp
eso
r(m
m)
Días
Espesor tuberías modelo
Tubería 1 Tubería 2 Tubería 3
La anterior gráfica muestra las tres dinámicas de crecimiento juntas. Una explicación probable a la gran variación presentada por los datos es la juventud de la biopelícula, como es mencionado por (Betancourth & Botero, 2004); las biopelículas jóvenes son muy propensas a ser eliminadas debido a que los polisacáridos que conforman la matiz extracelular aun son pocos y no están organizados de forma resistente. Los constantes cambios de régimen de flujo al que son sometidas las tuberías al realizar las mediciones de pérdidas de altura pueden afectar realmente bastante las biopelículas jóvenes, al punto de desprenderlas y mostrar resultados sin una distribución perceptible y común a todas las tuberías. Aunque los datos no son muy concluyentes, es claro que la tubería con el menor esfuerzo cortante es la que mayor espesor de biopelícula tiene, cuando esta parece haberse establecido y no cambiar mucho su espesor.
Gráfica 6. Velocidad de crecimiento de las biopelículas en todas las tuberías
Para las velocidades de crecimiento se encuentran nuevamente valores poco concluyentes, que pueden ser explicados por la misma causa de la variación de los espesores.
7.2 Crecimiento de la biopelícula asociada con testigos de borde
Dado que el modelo lleva funcionando tan poco tiempo, no es posible realizar el mismo análisis comparativo temporal se llevó a cabo con el testigo de capa de cada
tubería. Los valores encontrados se encuentran en la sección de Anexos y esperan ser comparados con otros que sean obtenidos posteriormente.
7.2.1 Tubería 1
7.2.2 Tubería 2
