Mecanismos de control en la formación de biopelículas en sistemas de distribución de agua potable

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(1)Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. Tesis de Grado en Ingeniería Civil Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable Presentado por: María Paola Gómez Páez Asesor: Ing. Juan G. Saldarriaga Bogotá D.C., Julio de 2008.

(2) ICIV 200810 11 Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable. Tabla de Contenido 1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................. 8 1.1 OBJETIVOS ....................................................................................................................................... 9 1.1.1 Objetivo General ........................................................................................................................ 9 1.1.2 Objetivos Específicos.................................................................................................................. 9. 2. MARCO TEÓRICO ............................................................................................................................. 10 2.1 GENERALIDADES RESPECTO A LAS BIOPELÍCULAS ........................................................................ 10 2.1.1 Definición ................................................................................................................................. 10 2.1.2 Mecanismos de formación ........................................................................................................ 10. 3 EFECTO DE LA PRESENCIA DE BIOPELÍCULAS EN REDES DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE .......................................................................................................................................... 12 3.1 DETERIORO DE LA CALIDAD FÍSICO-QUÍMICA DEL AGUA .............................................................. 13 3.1.1 Coloración................................................................................................................................ 13 3.1.2 Turbiedad ................................................................................................................................. 14 3.1.3 Olor y Sabor ............................................................................................................................. 14 4 FACTORES QUE FAVORECEN EL DESARROLLO DE BIOPELÍCULAS EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE..………………………………………...............................15 4.1 DISPONIBILIDAD DE NUTRIENTES TRAS EL PROCESO DE POTABILIZACIÓN ..................................... 15 4.2 CONDICIONES DE FLUJO E HIDRÁULICA DEL SISTEMA ................................................................... 17 4.2.1 Régimen de flujo y número de Reynolds................................................................................... 17 4.2.1.1 4.2.1.2 4.2.1.3. Crecimiento de biopelículas a diferentes velocidades de flujo ........................................................20 Baja presión.....................................................................................................................................21 Tiempo de residencia hidráulica......................................................................................................21. 4.3 TEMPERATURA ............................................................................................................................... 22 4.4 CARACTERÍSTICAS DE LA TUBERÍA ................................................................................................ 25 4.4.1 Material o tipo de superficie..................................................................................................... 25 4.4.1.1 4.4.1.2 4.4.1.3 4.4.1.4 4.4.1.5 4.4.1.6 4.4.1.7. Hierro ..............................................................................................................................................26 Cobre...............................................................................................................................................26 Acero inoxidable .............................................................................................................................27 Polietileno de alta densidad (HDPE) ...............................................................................................27 uPVC...............................................................................................................................................28 Asbesto cemento .............................................................................................................................28 Análisis comparativo de los materiales evaluados ..........................................................................28. 4.4.2 Diámetro Interno ...................................................................................................................... 30 4.5 INTERACCIÓN DE LOS FACTORES QUE FAVORECEN EL DESARROLLO DE BIOPELÍCULAS EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE ......................................................................................... 30 4.5.1 Correlación régimen de flujo-adición o ausencia de nutrientes............................................... 31 4.5.1.1 4.5.1.2 4.5.1.3 4.5.1.4. 4.5.2 4.5.3 4.5.4 tubería 5. Flujo turbulento con adición de nutrientes ......................................................................................31 Flujo turbulento sin adición de nutrientes .......................................................................................32 Flujo laminar con adición de nutrientes ..........................................................................................32 Flujo laminar sin adición de nutrientes............................................................................................33. Correlación entre bacterias sésiles y bacterias planctónicas .................................................. 37 Correlación entre la velocidad de flujo, bacterias sésiles y bacterias planctónicas ............... 39 Correlación entre las tasas de decaimiento de desinfectante residual, material y edad de la …………………………………………………………………………………………………………..39. MECANISMOS DE CONTROL EN LA FORMACIÓN DE BIOPELÍCULAS ............................ 46. 2.

(3) ICIV 200810 11 Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable. 5.1 MÉTODOS PARA DETERMINAR EL POTENCIAL DE DESARROLLO DE BIOPELÍCULAS EN REDES DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE ............................................................................................................... 46 5.1.1 Niveles de Carbono Orgánico Asimilable(COA)...................................................................... 46 5.1.1.1 Métodos de evaluación de COBD .................................................................................. 47 5.1.1.1.1 Método de Joret y Levi .............................................................................................. 48 5.1.1.1.2 Método de Servais et al. ............................................................................................. 48 5.1.1.1.3 Método de Ribas et al. ................................................................................................ 48 5.1.1.2 Métodos de evaluación de COA...................................................................................... 49 5.1.1.2.1 Método de van der Kooij ............................................................................................ 50 5.1.1.2.2 Método de Kemmy et al. ............................................................................................ 50 5.1.1.2.3 Método de Rice et al. ................................................................................................. 50 5.1.1.2.4 Método de Werner ..................................................................................................... 50 5.1.1.2.5 Método de Jago y Stanfield. ........................................................................................ 51 5.1.2 Dispositivos de Propagación.................................................................................................... 51 5.1.2.1 Dispositivo Robbins estándar y modificado ................................................................... 51 5.1.2.2 Dispositivo Pedersen....................................................................................................... 51 5.1.3 Técnicas de Enumeración......................................................................................................... 52 5.1.3.1 Conteo directo en sustancias epifluorescentes ............................................................... 52 5.1.3.2 Conteo con microscopio confocal .................................................................................. 53 5.1.4 Técnicas de monitoreo espectrofotométricas y monitoreo en línea.......................................... 53 5.2 SONICADO DE BIOPELÍCULAS ASOCIADAS A PROCESOS CORROSIVOS............................................ 54 5.3 INFLUENCIA DEL TIPO DE DESINFECTANTE RESIDUAL EN EL CONTROL DE BIOPELÍCULAS ............. 54 5.3.1 Cloro......................................................................................................................................... 55 5.3.2 Monocloraminas....................................................................................................................... 56 5.3.3 Ozono........................................................................................................................................ 57 5.3.4 Combinaciones ......................................................................................................................... 57 5.4 CONTROL ESPECÍFICO DE LOS FACTORES DE FORMACIÓN ............................................................. 60 5.4.1 Control de Materia Orgánica Biodegradable (Tratamiento Primario).................................... 60 5.4.1.1 Modificación del pH ....................................................................................................... 61 5.4.1.2 Régimen de cloración y/o composición del soluto ......................................................... 62 5.4.1.3 Sustitución de coagulantes generadores de productos férricos ....................................... 63 5.4.1.4 Incorporación de biocidas aplicados mediante campos eléctricos ................................. 63 5.4.2 Control de la Temperatura del Fluido...................................................................................... 63 5.4.3 Operación del Sistema de Distribución .................................................................................... 64 5.4.3.1 Control de la velocidad de flujo ...................................................................................... 66 5.4.3.2 Régimen de desinfección ............................................................................................... 67 5.4.4 Control de la Corrosión ........................................................................................................... 67 5.4.5 Control Biológico: Inoculación de Virus.................................................................................. 69 6. CONCLUSIONES ................................................................................................................................ 74. 7. REFERENCIAS.................................................................................................................................... 78. 3.

(4) ICIV 200810 11 Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable. Índice de Figuras FIGURA 2-1. PROCESO DE CRECIMIENTO BACTERIANO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE………………………………………………………………...11 FIGURA. 3-1. MECANISMOS DE DESPRENDIMIENTO Y EROSIÓN DE BIOPELÍCULAS.12. FIGURA 4-1. CÉLULAS ADHERIDAS POR UNIDAD DE SUPERFICIE………………………17 FIGURA 4-2. CÉLULAS TOTALES ADHERIDAS POR UNIDAD DE SUPERFICIE, PARA 2 VALORES DE ESFUERZO CORTANTE………………………………………………………………19 FIGURA 4-3. INFLUENCIA DEL ESFUERZO CORTANTE EN LA FORMACIÓN DE BIOPELÍCULAS EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE……………………..19 FIGURA. 4-4. FORMACIÓN DE BIOPELÍCULAS BAJO CONDICIONES DE AGUA TIBIA..23. FIGURA 4-5. FORMACIÓN DE BIOPELÍCULAS BAJO CONDICIONES DE AGUA FRÍA…23 FIGURA 4-6. TASA DE FORMACIÓN DE BIOPELÍCULA VS. TEMPERATURA PROMEDIO DEL AGUA………………………………………………………………………………………………...24 FIGURA 4-7. CRECIMIENTO DE BIOPELÍCULAS PARA DIFERENTES TIPOS DE MATERIAL………………………………………………………………………………………………..29 FIGURA 4-8. POTENCIAL DE FORMACIÓN DE BIOPELÍCULAS EN SUPERFICIES POLIMÉRICAS……………………………………………………………………………………………30 FIGURA 4-9. CINÉTICA DEL CRECIMIENTO DE BIOPELÍCULAS: ACUMULACIÓN DE COMUNIDADES SÉSILES BAJO RÉGIMEN DE FLUJO TURBULENTO Y ADICIÓN DE NUTRIENTES, EN TUBERÍAS DE ACERO INOXIDABLE Y PVC…………………………………31 FIGURA 4-10. CINÉTICA DEL CRECIMIENTO DE BIOPELÍCULAS: ACUMULACIÓN DE COMUNIDADES SÉSILES BAJO RÉGIMEN DE FLUJO TURBULENTO SIN ADICIÓN DE NUTRIENTES, EN TUBERÍAS DE ACERO INOXIDABLE Y PVC…………………………………32 FIGURA 4-11. CINÉTICA DEL CRECIMIENTO DE BIOPELÍCULAS: ACUMULACIÓN DE COMUNIDADES SÉSILES BAJO RÉGIMEN DE FLUJO LAMINAR Y ADICIÓN DE NUTRIENTES, EN TUBERÍAS DE ACERO INOXIDABLE Y PVC…………………………………33 FIGURA 4-12. CINÉTICA DEL CRECIMIENTO DE BIOPELÍCULAS: ACUMULACIÓN DE COMUNIDADES SÉSILES BAJO RÉGIMEN DE FLUJO LAMINAR SIN ADICIÓN DE NUTRIENTES, EN TUBERÍAS DE ACERO INOXIDABLE Y PVC…………………………………33 FIGURA 4-13. FORMACIÓN DE BIOPELÍCULAS EN TUBERÍAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE, BAJO RÉGIMEN DE FLUJO LAMINAR CON ADICIÓN DE NUTRIENTES34 FIGURA 4-14. CONTEOS DE CFU Y TB EN BIOPELÍCULAS PARA DIFERENTES CONDICIONES DE ANÁLISIS, UNA VEZ ALCANZADO EL ESTADO ESTABLE……………...35 FIGURA 4-15. CORRELACIÓN ENTRE BACTERIAS SÉSILES Y BACTERIAS PLANCTÓNICAS…………………………………………………………………………………………38 FIGURA 4-16. CORRELACIÓN CÉLULAS EN BIOPELÍCULA VS. CÉLULAS SUSPENDIDAS 38 FIGURA 4-17. CORRELACIÓN VELOCIDAD DE FLUJO-BACTERIAS SÉSILES-BACTERIAS PLANCTÓNICAS…………………………………………………………………………………………39. 4.

(5) ICIV 200810 11 Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable. FIGURA 4-18. CONSTANTES DE DECAIMIENTO DEL DESINFECTANTE RESIDUAL, COMO FUNCIÓN DEL MATERIAL, DIÁMETRO Y TIEMPO EN SERVICIO DE TUBERÍAS DE HIERRO……………………………………………………………………………………………………40 FIGURA 4-19. CONSTANTES DE DECAIMIENTO DEL DESINFECTANTE RESIDUAL, COMO FUNCIÓN DEL MATERIAL, DIÁMETRO Y TIEMPO EN SERVICIO DE TUBERÍAS DE ACERO……………………………………………………………………………………………………..41 FIGURA 4-20. CONSTANTES DE DECAIMIENTO DEL DESINFECTANTE RESIDUAL, COMO FUNCIÓN DEL MATERIAL, DIÁMETRO Y TIEMPO EN SERVICIO DE TUBERÍAS DE HFC ………………………………………………………………………………………………………..41 FIGURA 4-21. CONSTANTES DE DECAIMIENTO DEL DESINFECTANTE RESIDUAL, COMO FUNCIÓN DEL MATERIAL, DIÁMETRO Y TIEMPO EN SERVICIO DE TUBERÍAS DE HDC ……………………………………………………………………………………………………..…42 FIGURA 4-22. CONSTANTES DE DECAIMIENTO DEL DESINFECTANTE RESIDUAL, COMO FUNCIÓN DEL MATERIAL, DIÁMETRO Y TIEMPO EN SERVICIO DE TUBERÍAS DE ASBESTO CEMENTO……………………………………………………………………………………42 FIGURA 4-23. CONSTANTES DE DECAIMIENTO DEL DESINFECTANTE RESIDUAL, COMO FUNCIÓN DEL MATERIAL, DIÁMETRO Y TIEMPO EN SERVICIO DE TUBERÍAS DE UPVC……………………………………………………………………………………………………….43 FIGURA 4-24. CONSTANTES DE DECAIMIENTO DEL DESINFECTANTE RESIDUAL, COMO FUNCIÓN DEL MATERIAL, DIÁMETRO Y TIEMPO EN SERVICIO DE TUBERÍAS DE PVC ……………………………………………………………………………………………………..…43 FIGURA 4-25. CONSTANTES DE DECAIMIENTO DEL DESINFECTANTE RESIDUAL, COMO FUNCIÓN DEL MATERIAL, DIÁMETRO Y TIEMPO EN SERVICIO DE TUBERÍAS DE POLIETILENO……………………………………………………………………………………………44 FIGURA. 5-1. REACTOR PARA LA DETERMINACIÓN DE COBD……………………………49. FIGURA. 5-2. DISPOSITIVO PEDERSEN…………………………………………………………..52. FIGURA. 5-3. CARACTERÍSTICAS MICROBIOLÓGICAS TRAS 14 DÍAS DE EXPOSICIÓN59. FIGURA 5-4. VARIACIÓN EN LA DENSIDAD RELATIVA DE BIOPELÍCULAS CON AJUSTE DE PH ……………………………………………………………………………………………………..62 FIGURA 5-5. CONTEO TOTAL DE BACTERIAS SÉSILES PARA DIFERENTES MATERIALES DE TUBERÍA……………………………………………………………………………………………...66 FIGURA 5-6. REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DEL RECRECIMIENTO DE BIOPELÍCULAS ASOCIADAS A PROCESOS CORROSIVOS …………………………………….69 FIGURA 5-7. MECANISMO DE ACCIÓN DEL VIRUS FÁGICO T7-DSPB EN LA DESTRUCCIÓN DE BIOPELÍCULAS EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE. ………………………………………………………………………………………………………………71 FIGURA 5-8. COMPARACIÓN DE LA EVOLUCIÓN DE COMUNIDADES SÉSILES TRATADAS BIOLÓGICAMENTE (INOCULACIÓN DE VIRUS) Y COMUNIDADES NO TRATADAS………………………………………………………………………………………………..72 FIGURA 5-9. IMAGEN SEM DE LA EVOLUCIÓN DE BIOPELÍCULAS, TRAS 20 HORAS DE ESTUDIO ………………………………………………………………………………………………….72. 5.

(6) ICIV 200810 11 Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable. FIGURA 5-10. COMPARACIÓN DE LA EFECTIVIDAD DE LOS TRATAMIENTOS CONVENCIONAL Y BIOLÓGICO EN EL CONTROL DE LA FORMACIÓN DE COMUNIDADES SÉSILES EN TUBERÍAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE…………73. 6.

(7) ICIV 200810 11 Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable. Índice de Tablas TABLA 4-1. RESULTADOS OBTENIDOS CON LA PRUEBA MANOVA………………………..36 TABLA 5-1. DEFINICIÓN DE LOS PARÁMETROS DE VALORACIÓN DEL POTENCIAL DEL CRECIMIENTO BACTERIANO DE UNA MUESTRA DE AGUA, A PARTIR DE SU CONTENIDO DE COB……………………………………………………………………………………47 TABLA 5-2. MÉTODOS DE MEDICIÓN DE COBD, BASADO EN LA DETERMINACIÓN DE LA DISMINUCIÓN DE COD…………………………………………………………………………….47 TABLA 5-3. MÉTODOS DE OBTENCIÓN DE VALORES DE COA A PARTIR DE LA MEDICIÓN DE LA BIOMASA CELULAR…………………………………………………………….49 TABLA 5-4. COMPARACIÓN DE CONDICIONES DINÁMICAS DE FLUJO PARA 4 PUNTOS DE MUESTREO…………………………………………………………………………………………...65. 7.

(8) ICIV 200810 11 Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable. 1. INTRODUCCIÓN Los sistemas o redes de distribución de agua potable constituyen medios oligotrópicos propicios para la formación y crecimiento de microorganismos en la forma de colonias matriciales o biopelículas. Estas comunidades sésiles1 se adhieren a las paredes internas de las tuberías y su movilización o desprendimiento (que surge como consecuencia de los esfuerzos de corte asociados al flujo) afecta de manera negativa la calidad final del agua, mediante la incorporación de agentes y residuos contaminantes. A la luz de esta información y de manera reciente, se ha generado una mayor conciencia respecto a los cambios y el deterioro en las características de calidad que sufre el agua durante la etapa de transporte a través de la red de distribución, posterior al proceso de potabilización. Actualmente, las compañías y empresas encargadas de los procesos de potabilización y distribución del recurso enfrentan grandes retos al respecto pues, en efecto, en muchos sistemas de distribución de agua potable en el mundo se ha identificado la formación y presencia de biopelículas. En este orden de ideas, resulta fundamental llevar a cabo acciones que permitan controlar el fenómeno, al impedir o minimizar la formación y el crecimiento de biopelículas en tuberías. A partir de modelos a escala y simulación hidráulica es posible establecer ciertos criterios para la identificación de zonas de formación potencial de biopelícula en la red, parámetros de operación, influencia relativa de las condiciones de flujo e hidráulica del sistema, disponibilidad de nutrientes, material de la tubería y temperatura del fluido en la colonización de sistemas de distribución de agua potable. Consecuentemente, a partir del análisis de estos resultados, se generan conclusiones y recomendaciones en la determinación de acciones y mecanismos de control. Al identificar aquellos factores que favorecen la formación potencial de biopelículas en sistemas de distribución de agua potable, es posible planear mecanismos de manejo proactivos que eviten la ocurrencia de estas estructuras en lugar de generar toda una serie de programas correctivos de lavado.. 1. Comunidad sésil: sinónimo de biopelícula. En: Momba MNB, Kfir R, Venter SN, Cloete TE. An overview of biofilm formation in distribution systems and its impact on the deterioration of water quality. Water SA, Vol. 26 No. 1, enero 2000. pp. 60-62.. 8.

(9) ICIV 200810 11 Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable. 1.1 OBJETIVOS 1.1.1 Objetivo General A partir de un estudio del estado del arte, se pretende identificar los mecanismos de control disponibles en la formación de biopelículas en sistemas de distribución de agua potable. 1.1.2 Objetivos Específicos Analizar el proceso de adhesión y dinámica de crecimiento de biopelículas en sistemas de distribución de agua potable, su estructura, composición y, en general, sus características físicas, químicas y biológicas. Establecer los factores que favorecen el desarrollo y crecimiento de biopelículas en redes de distribución de agua potable y especificar su influencia relativa, en términos de variables independientes y actuando simultáneamente: ‐ ‐ ‐ ‐. Disponibilidad de nutrientes tras el proceso de potabilización Condiciones de flujo e hidráulica del sistema Temperatura Características de la tubería (material, diámetro interno). Evaluar el efecto de la presencia de comunidades sésiles en tuberías respecto al deterioro de la calidad físico-química del agua y sus implicaciones de salubridad. Plantear mecanimos de control en la formación de biopelículas en sistemas de distribución de agua potable, a partir del análisis del potencial de desarrollo de comunidades sésiles en tuberías y de los factores anteriormente identificados: ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐. Eficacia del proceso de potabilización y control de materia orgánica biodegradable. Influencia del tipo de desinfectante residual. Control de la temperatura del fluido. Operación del sistema de distribución. Control de la corrosión. Métodos para determinar el potencial de crecimiento microbial de los materiales. Control biológico: inoculación de virus.. 9.

(10) ICIV 200810 11 Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable. 2. MARCO TEÓRICO 2.1 GENERALIDADES RESPECTO A LAS BIOPELÍCULAS 2.1.1 Definición La biopelícula es una composición de comunidades de microorganismos de especies diversas –hongos, algas, protozoarios, desechos y/o corrosión- ligados por una sustancia limosa por ellos secretada, que se desarrolla en la interfase sólido-líquido (pared interna de la tubería-lámina de agua), en forma natural o artificial. En general, la biopelícula madura es un tejido vivo adherido a la pared interna de la tubería, es un complejo metabólico o microcolonia que, de acuerdo con su composición específica –especies de microorganismos involucradas- se conforma de un 10-25% de células y de un 75-90% de EPS 2 . Dicha matriz EPS se densifica linealmente con la proximidad al centro de la microcolonia. (Camper, Burr, Ellis, Butterfield y Abernathy, 1999) 2.1.2 Mecanismos de formación La presencia de materia orgánica en la interfase sólido-líquido, acondiciona una superficie que neutraliza la energía de flujo y promueve la adherencia de bacterias “pioneras” dentro de la capa límite de la tubería, por adsorción, inicialmente, y adsorción reversible –atracción electrostática y fuerzas físicas-. Las bacterias de la biopelícula excretan sustancias denominadas poliméricas extracelulares (limo) que atrapan y cementan nuevas bacterias que se adhieren a la pared de la red. Posteriormente, otro grupo de células microbianas o “colonizadoras secundarias”, metaboliza tanto el producto de sus desperdicios como aquellos generados por las bacterias pioneras. El desarrollo de una biopelícula madura toma entre algunas horas y varias semanas, de acuerdo con el agente que origine su adhesión: tratamiento específico del agua, presencia de nutrientes y materia orgánica biodegradable, condiciones de operación del sistema, velocidad de flujo, temperatura, concentración y tipo de desinfectante residual. En general, el procedimiento de formación es el presentado a continuación (Figura 2-1): I.. 2. Transferencia de masa de las macromoléculas a la superficie –formación inicial de capa-: acondicionamiento de la superficie de la tubería por adsorción de materia orgánica.. Matriz Exopolisacárida o polímeros producidos por las especies bacterianas presentes en la biopelícula.. 10.

(11) ICIV 200810 11 Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable. II.. Transporte de microorganismos y adhesión irreversible de las células a la superficie: transporte de células microbianas desde la masa de agua circulante. Parte de las células que llegan a la superficie se adhieren irreversiblemente; algunas de ellas vuelven al flujo de agua.. III.. Desarrollo de la estructura de dependencia células-superficie: Las células adheridas se desarrollan a expensas del sustrato contenido en el agua, y aumenta el número de microorganismos que conforman la biopelícula.. IV.. Transferencia de nutrientes desde y hacia la superficie, a través de la biopelícula.. V.. Metabolismo celular y generación de nuevas células y polímeros extracelulares. Las células excretan sustancias poliméricas (SPE) que conformarán la matriz estructural de la biopelícula. Esta capa se convierte en un lecho viscoso que permite el atrapamiento de células y nutrientes, formando una superposición de microcolonias.. VI.. Desprendimiento de la biopelícula, tras alcanzar un espesor crítico. Por último, la biopelícula experimenta un desprendimiento parcial de su masa por efecto del movimiento del fluido y de la acción mecánica de otras partículas que chocan contra ella (desprendimientos masivos de capas por pérdida de cohesión o adherencia) (Characklís, 1988).. FIGURA 2-1. Proceso de crecimiento bacteriano en sistemas de distribución de agua potable. Fuente: http://upcommons.upc.edu. 11.

(12) ICIV 200810 11 Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable. 3. EFECTO DE LA PRESENCIA DE BIOPELÍCULAS EN REDES DE DISTRIBUCIÓN La presencia de agentes microbiológicos (patogénicos y toxicogénicos) en el agua, asociados a biopelículas y comunidades sésiles, representa una amenaza para la salud humana y genera enfermedades que incluyen desde complicaciones a nivel gastrointestinal (virales y bacterianas) hasta infecciones como la Hepatitis A o la Giardiasis. Específicamente, la composición microbiológica del agua potable refleja las características o microflora del agua en la fuente: bacterias, virus, protozoos y fungi, que encuentran en la biopelícula un punto focal de interacción. En este orden de ideas, aun cuando la calidad biológica del agua tras el proceso de potabilización sea relativamente adecuada, se ha identificado gran variedad de contaminantes químicos y bacteriológicos: Acinetobacter, Actinolegionella, Aeromonas, Alcaligenos, Artrobacter, Campylobacter, Caulobacter, Citrobacter, Coliformes, Coliformes fecales, Enterobacter, Escherichia coli, Helicobacter pylori, Klebsiella Bacillus, Legionella, Mycobacter, Prosthescomicrobium, Pseudomonas, Salmonella typhimurium y Serratior; además de plomo, hierro, aluminio, zinc, manganeso, entre otros (Van der Kooij and Zoetemann, 1978; Ridgway and Olson, 1981; Olson, 1982; Olivieri et al., 1985; Herson et al., 1987; Schindler and Metz, 1991). De acuerdo con Flemming et al. (2002), en los sistemas cuya relación volumen/área superficial es de aproximadamente 5 cm, el 95% de la biomasa presente en el sistema se adhiere a las paredes de la tubería y el 5% restante permanece en la fase líquida como materia suspendida. Por lo tanto, la formación de biopelículas en la red tiene efectos desfavorables significativos, pues a través de fenómenos de desprendimiento, dispersión y transporte, los microorganismos presentes en la comunidad sésil ingresan al cuerpo de agua, aumentando la densidad relativa de contaminantes.. FIGURA 3-1. Mecanismos de desprendimiento y erosión de biopelículas. Fuente: www.erc.montana.edu. 12.

(13) ICIV 200810 11 Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable. De manera específica, la presencia de biopelículas en tuberías que hacen parte de sistemas de distribución de agua potable genera toda una serie de problemas a nivel local: corrosión localizada, bioensuciamiento y biodegradación de las superficies. Así, la actividad continua y la interacción de la biopelícula con la superficie pueden promover la corrosión microbiana. Por otro lado, dada la forma irregular característica de tales microcomunidades sésiles, se produce un incremento en la rugosidad de la tubería3 y, consecuentemente, un aumento en magnitud del esfuerzo de corte en la pared. Este incremento en el esfuerzo cortante se atribuye además a las propiedades viscoelásticas de la biopelícula.. 3.1 DETERIORO DE LA CALIDAD FÍSICO-QUÍMICA DEL AGUA Los criterios, estándares y objetivos específicos respecto a la calidad físico-química del agua potable se describen mediante la evaluación de parámetros de calidad, que determinan ciertos valores, máximos y mínimos, para el contenido en minerales, cloruros, nitratos, nitritos, amonio, calcio, magnesio, fosfato y arsénico, entre otros, además de gérmenes y microorganismos patógenos y el valor del pH. En particular, la formación de biopelículas en redes de distribución de agua potable tiende a alterar algunos de estos valores, al punto de alcanzar niveles inadmisibles. Dicha variación se traduce en toda una serie de condiciones físicas, evidentes al consumidor: coloración, turbiedad, olor y sabor. 3.1.1 Coloración Se define como la absorción de agentes contaminantes por parte de los componentes químicos del agua. La coloración es producto de materia y partículas: el agua ligeramente contaminada suele tener colores rojizos, pardos o verdosos debido, principalmente, a compuestos húmicos, férricos o a los pigmentos de algas. Sin embargo, las aguas contaminadas suelen tener diversos colores y, en general, no es factible establecer una relación clara entre el color y el tipo de contaminante que lo genera. En este orden de ideas, resulta más adecuado medir parámetro de calidad como la turbiedad.. 3. El incremento en la rugosidad de la pared implica un aumento en la resistencia a la fricción -la biopelícula cubriendo la superficie ejerce resistencia al flujo y reduce la velocidad local del líquido a la mitad-.. 13.

(14) ICIV 200810 11 Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable. 3.1.2 Turbiedad La turbiedad es una medida de las partículas en suspensión o concentración de TSS (sólidos totales en suspensión) en un cuerpo de agua. Particularmente, la turbiedad en redes de distribución de agua potable se asocia al desprendimiento de biopelículas y es factible que estas partículas se acumulen en zonas muertas del sistema. Según la OMS la turbiedad del agua para consumo humano no debe superar, en ningún caso, las 5 NTU 4 y estará idealmente por debajo de 1 NTU. La densidad relativa de microorganismos por volumen de agua representa uno de los parámetros más relevantes en la evaluación de la calidad bacteriológica del agua potable. Particularmente, para bacterias coliformes, esta tasa debe ser inferior a un coliforme por cada 100 mL de agua.5. 3.1.3 Olor y Sabor Algunos compuestos químicos asociados a biopelículas como fenoles, diversos hidrocarburos, cloro (en cuanto desinfectante), materia orgánica en descomposición o esencias liberadas por algas u hongos, pueden generar olores y sabores muy fuertes en el agua, aun cuando se encuentran en concentraciones muy pequeñas. En particular, la producción de DMTS 6 , precedida por la generación de sulfuros/polisulfuros es común en ciertos tipos de biopelículas, especialmente en tuberías de asbesto cemento, cobre y acero.. 4. Nefelometric Turbidity Units.. 5. La detección de coliformes constituye el mecanismo más común de evaluación de la calidad del agua para consumo. Sin embargo, es importante controlar la existencia de otro tipo de poblaciones de microorganismos, pues una gran parte de las bacterias heterotrópicas aisladas de tuberías de redes de distribución de agua potable corresponde a otro tipo de patógenos oportunistas, algas, fungi y levaduras (Engel et al., 1980; Wadowsky et al., 1982; Burke et al., 1984; Camper et al., 1985; Sibile, 1998). 6. Dimethyl Trisulphide. Estos compuestos solo pueden generarse en el sistema de distribución, pues son muy inestables ante procedimientos oxidativos, comunes durante el tratamiento. Adicionalmente, algunos estudios de laboratorio muestran que la presencia de DMTS es insignificante en ausencia de biopelícula.. 14.

(15) ICIV 200810 11 Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable. 4. FACTORES QUE FAVORECEN EL DESARROLLO DE BIOPELÍCULAS EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE Existen ciertos factores que favorecen, en diferente medida, la formación de biopelículas en redes de distribución de agua a presión: 4.1 DISPONIBILIDAD DE NUTRIENTES TRAS EL PROCESO DE POTABILIZACIÓN La presencia de componentes biodegradables o nutrientes tras el proceso de potabilización o aquellos generados en la red de distribución de agua potable, promueve el recrecimiento de microorganismos, caracterizados según los componentes que sirven sus requerimientos energéticos -hidrógeno orgánico e inorgánico-, de carbono –carbono orgánico e inorgánico-, y el tipo de receptor de hidrógeno (oxígeno, nitrato, sulfato, dióxido de carbono o carbón orgánico). Los microorganismos heterotrópicos constituyen alrededor del 70% de las comunidades bacterianas presentes en redes de agua potable. Estos organismos utilizan componentes de carbono orgánico como fuente de energía y de carbono y, en su mayoría, toman oxígeno como receptor de hidrógeno. Aproximadamente, el 50% del carbono orgánico absorbido se convierte en CO2 (como fuente de energía), mientras el 50% restante se consume en la generación de nuevo material celular. (Kaplan, Bott y Reasoner, 1993) Los requerimientos específicos de nutrientes (Carbono (C), Nitrógeno (N) y Fósforo (P)) para la formación de biopelículas en sistemas de distribución cumplen la siguiente relación: C:N:P = 100:10:1. Los componentes o fuentes de N están presentes en el agua en concentraciones muy bajas –miligramos-, en la forma de nitrato por litro generalmente, mientras los fosfatos se encuentran en concentraciones mínimas – microgramos- de P por litro (Van der Kooij et al., 1982). Por su parte, el conteo de carbono orgánico total (COT) no constituye, como ha sido verificado mediante estudios experimentales (Rizet et al., 1982) un buen indicador respecto al recrecimiento de bacterias o biopelícula, pues la relación de nutrientes orgánicos a COT no es constante (Van der Kooij et al., 1982; Hascoët et al., 1986). Es posible identificar los componentes generales del material orgánico biodegradable presente en sistemas de distribución de agua potable: carbono orgánico biodegradable disuelto (COBD) y carbono orgánico asimilable (COA). El COBD puede definirse como aquella fracción de carbono orgánico disuelto (COD) metabolizada por las bacterias –en períodos de algunos días a meses-. En este sentido, la tasa de recrecimiento es función del contenido total de carbono orgánico biodegradable disuelto en el agua, así como de las características o contenido específico de nutrientes en la fuente primaria de 15.

(16) ICIV 200810 11 Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable. abastecimiento (el agua proveniente de lagos y embalses contiene mayores concentraciones de COD que el agua subterránea). De acuerdo con Bernhardt y Wilhems (1985), si la concentración de COD en el agua potable es inferior a 1 mg.L-1, no existe propensión al recrecimiento de biopelícula. En particular, Joret (1991) encontró que ciertas comunidades de microorganismos que constituyen las biopelículas (E. coli, Klebsiella pneumonia y Enterobacter cloacae, específicamente) no se multiplican en muestras de agua potable cuyas concentraciones iníciales de COD varían entre 0.4 mg.L-1 y 0.8 mg.L-1 e inferiores o iguales a 0.1 mg.L-1 para COBD, pero estos microorganismos pueden recrecer en si estas concentraciones alcanzan valores de 3.2 mg.L-1 para DOC y 1.4 mg.L-1 de COBD. La fracción de carbono orgánico biodegradable que, efectivamente, genera nuevo material celular corresponde a la proporción de COA. Por lo tanto, al evaluar la variación de COA se obtiene un buen indicador del potencial de recrecimiento de biopelícula para una muestra específica de agua, aun cuando solo es una medida de la biomasa generada a partir de carbono. La concentración relativa de COA (10 µg.L-1) representa sólo una pequeña fracción de la concentración total de carbono orgánico disuelto, especialmente cuando la fuente es agua subterránea, expuesta a diversos procesos biológicos por períodos prolongados de tiempo. A dichas concentraciones, las bacterias heterotrópicas no encuentran un medio favorable que promueva su reproducción: el número total de bacterias no supera los 100 CFU 7 .mL-1. Bajo estas condiciones, el agua potable es considerada biológicamente estable. Van der Kooij (1999) encontró que el potencial de desarrollo de biopelículas o comunidades sésiles en sistemas de distribución de agua potable es función directa de la concentración de COA: para un flujo de 15.5 mg C·m-2·d-1 COA, se observó un incremento de 1.9 x 107 CFU·cm-2·d-1 en la densidad de la biopelícula; mientras que un valor de 0.375 mg C·m-2·d-1 COA implica un incremento diario de alrededor de 4.5 x 105 CFU·cm-2 en la densidad. A partir de esta información, es evidente que una reducción en la concentración de COA tiene efectos significativos en la formación de biopelícula en estas redes de distribución. También es relevante considerar que dados los valores habituales de concentración de COA - en el rango de µg.L-1- muy bajas concentraciones de substratos resultan suficientes para generar comunidades sésiles o biopelículas en sistemas de distribución de agua potable. Las investigaciones llevadas a cabo por Simo, Azevedo, Pacheco, Keevil y Vieira (2005) respecto a la adhesión de biopelículas en redes de distribución para diferentes condiciones de operación concluyeron que mediante la adición de nutrientes (0.5 mg.L-1 carbono, 0.1 mg.L-1 nitrógeno y 0.01 mg.L-1 fósforo) aumentaba el número total de bacterias en la biopelícula. 7. Colony-Forming Unit.. 16.

(17) ICIV 200810 11 Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable. De manera específica, el nivel de corrosión de las tuberías y la existencia de microorganismos y nutrientes posterior al proceso de potabilización del agua -que tienden a formar conglomerados al entrar en contacto con sustratos y otros residuos sólidos, durante la etapa de distribución-, promueven la formación y crecimiento de microorganismos o biopelículas. 4.2 CONDICIONES DE FLUJO E HIDRÁULICA DEL SISTEMA 4.2.1 Régimen de flujo y Número de Reynolds El diseño y operación específicos del sistema de distribución y las condiciones de dinámica de flujo correspondientes propician, en mayor o menor medida, el crecimiento de biopelículas. Así, la tasa final de crecimiento de biopelícula puede determinarse a partir del número final de células/unidad de área y la tasa de producción de células sésiles. 8 Manuel, Nunes y Melo (2005) investigaron la dinámica de crecimiento de comunidades sésiles en tuberías de distribución de agua potable, a partir del conteo de células adheridas por unidad de superficie, discriminadas en 3 categorías: células totales, células metabólicamente activas y células R2A. La Figura 4-1 presenta estos resultados.. (a). (b). (c). FIGURA 4-1. Células adheridas por unidad de superficie. (a) Células totales (b) Células metabólicamente activas (c) Células R2A. Fuente: http://www.up.ac.za 8. Este resultado equivale a la tasa de desprendimiento de células sésiles, una vez alcanzado el estado de estabilidad.. 17.

(18) ICIV 200810 11 Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable. El número de células totales por cm2 es, en todos los casos, superior al número de células metabólicamente activas que, a su vez, supera el conteo de células R2A. Cerca del 17 – 35% del total de células corresponde a unidades metabólicamente activas y entre un 8 – 15% se identifican células R2A. Vieira et al. (1993), Stoodley et al. (1999), Dunsmore et al. (2002), Wasche et al. (2002) y Horn et al. (2003), han reportado que aquellas biopelículas formadas bajo condiciones de flujo turbulento son, en general, más densas y compactas. Aunque esta condición estructural implica menores tasas de transferencia de masa y nutrientes debido a la baja porosidad, la turbulencia causada por la velocidad de flujo promueve este suministro. Señalan además que la morfología particular de la biopelícula, correspondiente a flujo laminar y turbulento, afecta el número total de células que la conforman: el porcentaje de microorganismos es mayor para regímenes de flujo turbulento 9 pues las células que conforman las comunidades sésiles en flujo laminar son menos activas y están sujetas a fluctuaciones asociadas con el desprendimiento de la biopelícula. Los sistemas de distribución no son estructuras uniformes. Más aun, son redes complejas compuestas a partir de diferentes unidades o elementos que presentan diversas características físicas, químicas y biológicas: diámetros, materiales, potencial de corrosión y formación de biopelículas. De hecho, algunas características como la rugosidad de la superficie tienden a cambiar con el tiempo y modifican los patrones generales de flujo, tiempos de residencia, entre otros. Por otro lado, Simo, Azevedo, Pacheco, Keevil y Vieira (2005) señalan que bajo régimen de flujo turbulento (Re = 11000), en comparación con estudios desarrollados bajo flujo laminar (Re = 2000), se identifica un mayor número de bacterias en las muestras de biopelícula aislada. En este sentido, la velocidad de flujo es un factor determinante en la formación de biopelículas: el incremento en el esfuerzo cortante en la pared de la tubería genera una disminución en el número total de células/unidad de superficie. Un estudio llevado a cabo en tuberías de PVC y HDPE revela que en el primer caso el conteo total de células asociado a un τ = 0,80 Pa, es de 2,6 x 107 células/cm2 (± 5,7 x 106); y de 6,1 x 106 células/cm2 (± 2,5 x 106) para τ = 1,91 Pa. Por su parte, para HDPE los valores registrados son los siguientes: 8,7 x 107 células/cm2 (± 1,2 x 107); y de 8,2 x 106 células/cm2 (± 1,3 x 106), respectivamente. La Figura 4-2 resume estos resultados.. 9. Pereira et al. (2002) reportan que dichas condiciones de flujo (régimen turbulento) aceleran las actividades metabólica y respiratoria de las bacterias.. 18.

(19) ICIV 200810 11 Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable. (a). (b). FIGURA 4-2. Células totales adheridas por unidad de superficie, para 2 valores de esfuerzo cortante. (a) PVC (b) HDPE Fuente: http://www.up.ac.za. Los estudios desarrollados por Azevedo, Pinto, Reis, Vieira y Keevil (2005) reportan resultados que corroboran esta información:. FIGURA 4-3. Influencia del esfuerzo cortante en la formación de biopelículas en sistemas de distribución de agua potable. Fuente: http://aem.asm.org. 19.

(20) ICIV 200810 11 Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable. En los sistemas de distribución de agua potable existen también zonas de estancamiento, en aquellos lugares donde el consumo es bajo. Momba y Kaleni (2002) y LeChevallier et al. (1987) estudiaron dichas zonas y encontraron altos niveles de CFU y carbono orgánico disuelto (COD)10.. 4.2.1.1 Crecimiento de biopelículas a diferentes velocidades de flujo Las condiciones de flujo prevalecientes en el sistema de distribución, la velocidad especialmente (asociada con el número de Reynolds), determinan características estructurales11 específicas en el crecimiento de comunidades microbianas o biopelículas así formadas. Dicha “arquitectura interna” controla: 1) 2). La tasa de transporte de nutrientes. Flexibilidad mecánica requerida para soportar los esfuerzos de corte asociados al flujo.. Este arreglo estructural genera un perfil vertical o tasa de transporte de nutrientes que decrece con la profundidad, y se asocia con mayores densidades de biopelícula. Así, biopelículas generadas a velocidades de flujo relativamente bajas (0,8 cm/s aproximadamente) presentan organizaciones estructurales poco densas, exhiben altas tasas de difusividad y poca resistencia al incremento en los esfuerzos cortantes. Consecuentemente, los conglomerados de microorganismos formados bajo velocidades de flujo altas (alrededor de 28 cm/s), son generalmente más densos 12 , sus tasas de transporte de nutrientes son bajas y admiten mayores esfuerzos de corte. A partir del incremento en la velocidad de flujo es posible desplazar la totalidad de la biopelícula, aun cuando esta formación tienda a desarrollar una estructura interna de mayor resistencia sacrificando la tasa interna de transporte de nutrientes, pues solo aquellas formaciones firmemente adheridas a la pared interna de la tubería, resisten el incremento asociado de los esfuerzos cortantes.. 10. Estos estudios se llevaron a cabo en tuberías de acero galvanizado y polietileno.. 11. Las biopelículas exhiben una estructura heterogénea: bloques densos de agregados o microcolonias rodeadas por espacios intersticiales vacios. Así, se caracterizan por presentar distribuciones de densidad no uniforme y, consecuentemente, distribuciones de difusividad efectiva variables. 12. Este incremento en la densidad es una respuesta fisiológica de los organismos vivos que componen la biopelícula; es el resultado de la reestructuración interna debida a la generación de mayores esfuerzos de corte.. 20.

(21) ICIV 200810 11 Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable. 4.2.1.2 Baja presión Durante las etapas transitorias de baja presión es común la intrusión de contaminantes a través de válvulas, uniones defectuosas o fisuras generadas por presiones negativas. Sin embargo, la ocurrencia de regímenes de baja presión en algunos puntos localizados del sistema de distribución es inevitable, y en estas zonas se liberan gases que promueven la corrosión de tuberías de acero y hierro aun cuando se implementan estrategias de protección como liberación de gases a través de válvulas y cámaras (Hermin et al., 1999). Estos eventos de intrusión de contaminantes pueden controlarse o prevenirse desarrollando mejores prácticas de operación del sistema: verificación de los requerimientos mínimos de presión en puntos claves de la red, identificación de fisuras, operación apropiada de hidrantes y válvulas, rediseño de cámaras de evacuación de gases, programas de monitoreo rutinarios 13 y modelación de fenómenos transitorios para predecir la adhesión de microorganismos en “puntos débiles” de la red. 4.2.1.3 Tiempo de residencia hidráulica El tiempo de residencia o “edad del agua” es función tanto de las características físicas del sistema (tasa de flujo, diámetro de la tubería, configuración de la red y cantidad almacenada) como del modo particular de operación del mismo. A partir del momento en el que el agua sale de la planta de tratamiento e ingresa a la red matriz de distribución, pasa a través de la red secundaria y alcanza cada unidad residencial, pueden transcurrir días o semanas. En general, en los sistemas configurados a partir de un gran número de interconexiones se presentan menores tiempos de residencia que en aquellos conformados por líneas de tubería extensas con secciones o puntos muertos. Adicionalmente, se ha reportado que la presencia de múltiples uniones puede reducir la habilidad de los componentes para acumular todo tipo de contaminación. Los procesos degradativos de la calidad del agua en la red son, en su mayoría, función del tiempo (reacciones que toman lugar en el cuerpo de agua o en la interfase lámina-pared de la tubería) y por lo tanto es importante reducir tales períodos de residencia. La nitrificación biológica, por ejemplo, es un proceso por el que las bacterias presentes en tuberías oxidan componentes de nitrógeno –amonio- a nitritos y nitratos y se asocia, precisamente a períodos de residencia extensos en sistemas que utilizan Monocloraminación14. 13. Una disminución drástica en los niveles de desinfectante residual indica que se ha generado alguna fuente de contaminación adicional en el sistema. 14. La nitrificación puede reducir tanto la alcalinidad como el pH. El valor del pH puede disminuir al punto de promover la corrosión de las superficies.. 21.

(22) ICIV 200810 11 Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable. Según la EPA (1998), uno de los problemas más relevantes que surgen como consecuencia de la nitrificación y períodos de residencia extensos es la pérdida de desinfectante residual. La disminución en las concentraciones de cloro y monocloraminas incrementa la ocurrencia de microorganismos y puede atribuirse a reacciones con ciertas sustancias o productos de la corrosión (hierro reducido), amonio o materia orgánica. La “edad del agua” puede determinarse a partir de la tasa de flujo y el volumen interno asociado a la red de distribución, mediante trazadores, modelos matemáticos, modelos del sistema y modelos computacionales de la dinámica de flujo. En este sentido, las características físicas de las tuberías (diámetros internos, particularmente) son consideraciones que pueden minimizar los tiempos promedio de residencia del agua potable. Otras investigaciones señalan que es aconsejable evitar puntos muertos y velocidades de flujo muy bajas (AWWARF, 2004). Estas consideraciones sugieren redes conformadas por tuberías de diámetros pequeños y una configuración geométrica basada en múltiples interconexiones, que generen patrones de flujo diversos. Finalmente, en sistemas compuestos por varias fuentes de suministro, el desarrollo de modelos hidráulicos resulta de gran utilidad para asegurar que la operación específica del sistema contribuya, en efecto, a reducir los tiempos de residencia. Tiempos de residencia hidráulica prolongados generan problemas de color, sabor y olor en el agua y promueven la formación de trihalometanos y ácidos haloacéticos, que prevalecen en zonas de la red en donde los niveles de sedimentación y materia orgánica son significativos. Mediante la reducción de las concentraciones de COT y amonio, es posible controlar estos efectos. Ciertos parámetros de calidad como la concentración de desinfectante residual, el potencial redox y el pH se modifican de acuerdo con estos tiempos de residencia y determinan la corrosión de tuberías, liberación de hierro y cobre, especialmente en agua de baja alcalinidad. 4.3 TEMPERATURA Las bacterias presentes en comunidades sésiles o formaciones de biopelícula poseen la habilidad de sobrevivir y desarrollarse dentro de un rango de temperaturas bastante amplio. LeChevallier (1980) notó ciertas tendencias características respecto a la estructura de las biopelículas (diversidad de microorganismos) para diferentes épocas climáticas del año: mayor diversidad de especies en períodos cálidos.. 22.

(23) ICIV 200810 11 Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable. Investigaciones recientes (R.M. Donlan et al.) respecto a la formación de biopelículas en redes de distribución de agua potable, bajo condiciones de temperatura del fluido variables, han concluido como existe una mayor propensión a la aparición de microcolonias bacterianas en regímenes de flujo de agua tibia, respecto al flujo de agua a menor temperatura (Figura 4-4):. FIGURA 4-4. Formación de biopelículas bajo condiciones de agua tibia Fuente: R.M. Donlan et al.. FIGURA 4-5. Formación de biopelículas bajo condiciones de agua fría Fuente: R.M. Donlan et al.. 23.

(24) ICIV 200810 11 Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable. Bajo el régimen de agua tibia – de 15 a 25°C -, se reportó una distribución uniforme de la biopelícula a lo largo de la tubería, con un periodo de crecimiento y estabilización espesor máximo- de aproximadamente 28 días. Por otro lado, el espesor máximo así como las tasas de crecimiento reportadas para tales comunidades sésiles bajo regímenes de agua fría, fueron significativamente inferiores para un período de exposición comparable (alrededor de 80 días). A continuación se presenta el resultado obtenido para las tasas de formación como función de la temperatura promedio del agua para 4 zonas de tubería evaluadas en este estudio:. FIGURA 4-6. Tasas de formación de biopelícula vs. Temperatura promedio del agua Fuente: R.M. Donlan et al.. A partir del análisis de estos resultados (Figura 4-6), resulta evidente que la tasa de formación de biopelícula se incrementa -cumple una relación directamente proporcionalcon un aumento en la temperatura del fluido. Este resultado es en gran medida previsible, pues en términos generales, temperaturas elevadas promueven el crecimiento bacteriano al facilitar sus procesos metabólicos. 24.

(25) ICIV 200810 11 Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable. Resulta importante considerar que las concentraciones totales de cloro reportadas fueron superiores en el caso de exposición y evaluación con agua de menor temperatura que dichas concentraciones en condiciones de agua tibia –probablemente porque en condiciones de agua tibia se producen mayores demandas de cloro- . En este término de ideas, es factible relacionar mayores concentraciones de monocloraminas con una reducción efectiva en el potencial de formación de biopelículas. Un incremento considerable en la temperatura relativa del fluido – de 35 a 40°C -, se traduce en un aumento del 80% en el espesor de la biopelícula15. 4.4 CARACTERÍSTICAS DE LA TUBERÍA 4.4.1 Material o tipo de superficie El material empleado en tuberías de redes de distribución de agua potable puede ser clasificado en 3 categorías genéricas así: tuberías metálicas, plásticas y de material cementante. Actualmente, existe gran variedad de materiales que, dentro de estas categorías, responden a los requerimientos generales para ductos de distribución de agua a presión (concreto, hierro fundido, acero inoxidable, PVC, entre otros), y su uso varía de acuerdo con las preferencias específicas de cada país y a la disponibilidad de materiales. (Switzenbaum, Scheuer y Kallmeyer, 2005) La implementación de uno u otro material en la construcción de redes de distribución resulta crucial, pues el material de las tuberías influye significativamente en las características físico-químicas del agua para consumo (Rogers et al., 1994). En particular, el potencial de formación de biopelículas es uno de los parámetros más relevantes en la evaluación de estos materiales, pues algunos de ellos presentan características que promueven la acumulación de nutrientes para el crecimiento bacterial y microbiano, producen desprendimiento de componentes químicos o sabor u olor en el agua. De acuerdo con su naturaleza, estos materiales se clasifican en hidrófobos o hidrófilos, condición que determina la capacidad de adhesión de especies de bacterias acuáticas a las superficies. Olson (1982) demostró que una gran parte de las tuberías empleadas en sistemas de distribución de agua a presión pueden contener comunidades de biopelícula con densidades bacterianas de hasta 109 bacteria·cm-2. En tuberías de superficie lisa (PVC, vidrio) el proceso inicial de acumulación y adhesión de bacterias es relativamente lento. En este tipo de materiales, la formación de 15. CARVAJAL et al. Simulación de un lavado hidráulico en tuberías para el control del crecimiento de biopelícula. Universidad Nacional de Colombia: 26 de octubre de 2006.. 25.

(26) ICIV 200810 11 Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Mecanismos de Control en la Formación de Biopelículas en Sistemas de Distribución de Agua Potable. biopelículas se reduce alrededor de un 35%, respecto a la formación verificada en tuberías de superficie rugosa. Por otro lado, la utilización de cloro libre como mecanismo de supresión de biopelículas, es recomendable solo en caso de redes de tuberías de acero inoxidable, pues su efecto no se desactivará por ciertos productos de la corrosión, comunes en tuberías de hierro. 4.4.1.1 Hierro En general, el proceso de colonización bacteriana en tuberías de hierro se acompaña de procesos corrosivos, que aceleran y fomentan la formación de biopelículas. Adicionalmente, la interacción de este tipo de superficie con los componentes del desinfectante residual, promueven un consumo prematuro y temprano del mismo. Así, en ausencia de concentraciones adecuadas de desinfectante, existe una mayor propensión al recrecimiento de comunidades sésiles. Diversos estudios como los desarrollados por C.J. Kerr et al., han demostrado que el período de consolidación y formación de comunidades microbiológicas o biopelícula en tuberías de hierro fundido es de alrededor de 13,2 horas. Adicionalmente, la estructura de dichas microcolonias, en términos del número total de células constituyentes, es superior al encontrado para tuberías de HDPE o uPVC en un 97% 16. Respecto a la composición específica de estas comunidades microbianas –número de colonias de diferente naturaleza-, nueve tipos distintos de microorganismos fueron identificados (bacterias planctónicas, principalmente). 4.4.1.2 Cobre Mediante la implementación de microscopios electrónicos (SEM, por sus siglas en ingles), Momba (1997) ha desarrollado diversos estudios respecto a las características de las comunidades sésiles presentes en tuberías de cobre. Su investigación ha revelado que la estructura de estas biopelículas consiste en 2 capas bien diferenciadas: Capa de sustancia polimérica extracelular en contacto directo con la superficie de la tubería. Capa de bacterias, no embebidas en la capa polimérica. 16. En general, se realizan 2 conteos: el primero se lleva a cabo 21 días después de iniciado el proceso de formación, y por último se contabilizan las células presentes en la biopelícula tras 7 meses.. 26.