Andrea Hernández Alviar
Proyecto de Grado en Ingeniería Ambiental
Universidad de los Andes
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Proyecto de Grado
Ingeniería Ambiental
Dinámica de la formación de depósitos de óxidos de manganeso en
las redes de distribución de agua potable
Presentado por:
Andrea Hernández Alviar
Asesor:
Ing. Juan G. Saldarriaga
Bogotá D.C., junio de 2012
Universidad de los Andes
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA
Dinámica de la formación de depósitos de óxidos de manganeso en las
redes de distribución de agua potable.
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i
Dinámica de la formación de depósitos de óxidos de
manganeso en las redes de distribución de agua
potable.
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ii
Agradecimientos
Agradezco a mi familia por su confianza y apoyo incondicional.
A mi asesor de proyecto de grado, el ingeniero Juan Saldarriaga por su apoyo durante todo el
semestre, por dedicar parte de su tiempo a guiarme y a brindarme recomendaciones que me
ayudaron a llevar a cabo el documento de manera satisfactoria.
Finalmente agradezco a los integrantes del CIACUA que me brindaron información y documentos
muy amablemente cada vez que lo necesité.
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iii
Contenido
1
Introducción ................................................................................................................................ 1
1.1
Objetivos ............................................................................................................................. 3
1.1.1
Objetivo general .......................................................................................................... 3
1.1.2
Objetivos específicos ................................................................................................... 3
2
Marco teórico .............................................................................................................................. 5
2.1
Depósitos dentro de tuberías .............................................................................................. 5
2.2
Naturaleza y tipos de depósitos .......................................................................................... 5
2.3
Depósitos de óxidos de manganeso .................................................................................... 8
2.4
Transporte de los óxidos dentro de una tubería ................................................................. 9
2.5
Fenómeno de coloración de agua potable ........................................................................ 10
3
Normativa vigente para la calidad de agua respecto a Mn
2+
.................................................... 12
3.1
Normativa internacional. .................................................................................................. 13
3.1.1
Organización Mundial de la Salud ............................................................................. 13
3.1.2
EPA (United States Enviromental Protection Agency) .............................................. 13
3.1.3
Norma Francesa ........................................................................................................ 14
3.2
Normativa nacional. .......................................................................................................... 14
3.2.1
Resolución 2115 de 2007 .......................................................................................... 14
4
Naturaleza de los depósitos de óxidos de manganeso en las redes de distribución de agua
potable. ............................................................................................................................................. 15
4.1
Origen químico .................................................................................................................. 15
4.1.1
Cinética de la formación de los depósitos de óxidos de manganeso de origen
químico dentro de la tubería de agua potable.......................................................................... 17
4.2
Origen biológico ................................................................................................................ 24
4.2.1
Cinética de la formación de los depósitos de óxidos de manganeso de origen
biológico dentro de la tubería de agua potable. ....................................................................... 26
5
Características del agua en la fuente para que se produzcan depósitos de óxidos de
manganeso en la tubería. .................................................................................................................. 28
6
Formación de depósitos de óxidos de manganeso en las tuberías. ......................................... 30
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6.1
Sedimentación ................................................................................................................... 31
6.2
Fuerzas dinámicas ............................................................................................................. 32
6.2.1
Fuerzas de Van der Waals ......................................................................................... 33
6.2.2
Fuerza electrostática ................................................................................................. 35
7
Desprendimiento de las partículas de óxidos de manganeso en las tuberías. ......................... 37
7.1.1
Abrasión .................................................................................................................... 38
7.1.2
Erosión ....................................................................................................................... 38
7.1.3
Desprendimiento en masa ........................................................................................ 39
7.1.4
Depredación .............................................................................................................. 40
8
Efecto de los materiales de las tuberías en la formación y desprendimiento de los depósitos
de óxidos de manganeso. .................................................................................................................. 42
8.1
Tuberías de PVC................................................................................................................. 42
8.2
Tuberías de hierro ............................................................................................................. 44
9
Mecanismos de remoción y lavado de los depósitos de óxidos de manganeso dentro de la
tubería. .............................................................................................................................................. 47
9.1
Lavado hidráulico .............................................................................................................. 47
9.1.1
Lavado convencional ................................................................................................. 48
9.1.2
Lavado unidireccional ................................................................................................ 50
10 Casos de estudio........................................................................................................................ 52
10.1 Bogotá, Colombia .............................................................................................................. 52
10.2 Tegucigalpa, Honduras ...................................................................................................... 55
10.3 Costa Dorada, Australia ..................................................................................................... 56
10.4 Aproximación a los casos de Tibitoc y La Concepción ...................................................... 60
11 Conclusiones.............................................................................................................................. 63
12 Referencias ................................................................................................................................ 67
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Lista de Figuras
Figura 1. Dinámica de las partículas en una red de distribución de agua potable. ............................ 7
Figura 2. Gráfica en escala semi-logarítmica de la oxidación de Mn
2+
............................................. 21
Figura 3. Gráfica en escala semi-logarítmica de la oxidación de Mn
2+
............................................. 22
Figura 4. Gráfica de la oxidación de Mn
2+
en función de la dosificación .......................................... 23
Figura 5. Predicción de las concentraciones de las especies producidas ......................................... 23
Figura 6. Esquema de la trayectoria de las partículas depositadas por sedimentación. .................. 32
Figura 7. Formación de depósitos de óxido de manganeso según condiciones de velocidad de flujo.
........................................................................................................................................................... 33
Figura 8. Esquema de la adhesión de una esfera-superficie..………. ................................................. 34
Figura 9. Depósitos de óxidos formados en una conducción de agua potable de hierro. ................ 45
Lista de Tablas
Tabla 1. Comparación de relaciones molares de las plantas de Tibitoc y La concepción. ................ 61
Lista de Ecuaciones
Ecuación 1. Ecuación de la cinética de la reacción de oxidación del manganeso soluble en agua con
cloro. ................................................................................................................................................. 19
Ecuación 2. Reacción de producción de óxido de manganeso mediante cloro. ............................... 20
Ecuación 3. Reacción de producción del ligando Mn-MnO
2.
............................................................ 20
Ecuación 4. Reacción de producción de óxido de manganeso mediante ligando Mn-MnO
2
. .......... 20
Ecuación 5. Ecuación de la cinética microbiana de oxidación y reducción del manganeso . ........... 26
Ecuación 6. Integración y separación de variables de la ecuación de la cinética microbiana de
oxidación y reducción del manganeso .............................................................................................. 26
Ecuación 5. Cálculo de la fuerza de Van der Waals. .......................................................................... 34
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1 Introducción
El manganeso es el segundo metal más abundante de la Tierra y se encuentra naturalmente como
manganeso soluble en agua, Mn
2+
. Éste no se oxida con el simple contacto con el aire a pH neutro,
por lo cual, en las plantas de potabilización, se debe incluir un proceso químico de oxidación para
removerlo (Mathews, 1947; Sly, et al., 1990; Cerrato, et al., 2006). Dado que el proceso de
remoción no es del todo satisfactorio y eficiente en algunas plantas de potabilización debido a la
lentitud en su proceso de oxidación a partir de agentes oxidantes, el manganeso soluble se filtra a
las redes de distribución de agua potable, donde logra oxidarse tanto biológica como
químicamente, de valencia +2 a +3 y +4, siendo el +4 en forma de MnO
2
el más común. La
oxidación química se produce por medio de reacciones químicas con algunos halógenos, tales
como el cloro, dióxido de cloro, permanganato de potasio, peróxidos u ozono, entre otros, los
cuales se utilizan comúnmente para la desinfección del agua en el tratamiento (Cerrato, 2005). La
oxidación biológica se produce por medio de microorganismos bacterianos que viven y crecen al
interior de la tubería, los cuales son capaces de oxidar el elemento. Los productos de ambas
reacciones forman óxidos de manganeso insolubles en agua, partículas sólidas capaces de
adherirse a las paredes internas de la tubería por medio de diferentes mecanismos, los cuales se
expondrán en el cuerpo del documento.
Los óxidos producidos viajan a través de la red matriz hasta que se depositan en las paredes de la
misma, formando películas minerales de óxidos de manganeso. Dichos depósitos disminuyen la
eficiencia del transporte del agua potable por la conducción en su recorrido hasta el consumidor,
debido a la disminución del diámetro de la tubería, causando así una restricción en el flujo de agua
(Sly, et al., 1990). Por otro lado, el desprendimiento de los mismos se ve reflejado en el agua
suministrada a los usuarios finales, dado que adquiere un color café turbio, mal olor y sabor, y por
ende causa problemas acéticos y el descontento de la comunidad con la prestación del servicio
(Boxall & Saul, 2005).
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Los óxidos de manganeso tienen la capacidad de absorber iones metálicos divalentes, como el
hierro (Sly, et al., 1990) y otros. De esta manera, dichos óxidos logran co-depositarse y co-existir
con otros tipos de óxidos y de partículas metálicas sobre las superficies internas de las tuberías de
la red, haciendo intercambio de electrones y convirtiéndose en un aglomerado complejo y, en
ocasiones, llega inclusive a ser un factor importante de los problemas de corrosión (Mathews,
1947).
El mayor propósito u objetivo de las compañías prestadoras del servicio de agua potable a una
comunidad es proveer de agua con la mejor calidad posible, que cumpla con todos los estándares
establecidos y que garantice la seguridad de la misma, para así mantener la salud pública. De esta
manera, se pretende que los consumidores se encuentren satisfechos con el servicio prestado y
que, por consiguiente, se produzcan la menor cantidad de quejas posibles. Sin embargo, el
tratamiento adecuado del agua cruda y el hecho de lograr niveles de concentración de elementos
como el manganeso soluble por debajo de la norma al finalizar el proceso de potabilización, no
garantiza que el agua llegue con la
misma calidad inicial al recorrer las largas distancias por las
diferentes tuberías hasta llegar al grifo del usuario (Alere & Hanaeus, 1997).
A pesar de la implementación de normas y estándares exigentes que regulan concentraciones
máximas permisibles tanto de hierro como de manganeso en su forma soluble (Fe
3+
y Mn
2+
) en el
agua potabilizada para así garantizar una calidad del agua adecuada, se producen muchos eventos
de coloración del agua y, por consiguiente, quejas de los usuarios a las empresas
de acueducto
prestadoras del servicio.
La formación de depósitos compuestos de óxidos de manganeso y su posterior desprendimiento
varía de acuerdo con las propiedades del agua captada en la planta, la época del año, las
condiciones hidráulicas de flujo dentro del sistema, la temperatura, el pH, el diámetro del tubo, así
como también al material y la edad de la tubería (Cook & Boxall, 2011; Mathews, 1947; Cerrato,
2005; Sly, et al., 1990). Lo anterior indica que las partículas dentro de las distintas redes de
distribución de cada región se comportan de manera única y diferente.
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El fenómeno que desata los eventos de la coloración del agua potable se ha estudiado de manera
profunda y extensa durante los últimos años, pues es uno de los mayores problemas sin solución
preventiva que tienen la mayoría de acueductos a nivel mundial. Sin embargo, a pesar de que se
han invertido muchos esfuerzos en el tema, no se ha llegado a resultados concretos en la
modelación del comportamiento de los óxidos dentro de las redes, siendo todavía una incógnita a
resolver cuándo y en qué punto de la red se depositan exactamente dichos óxidos, para así poder
implementar mecanismos de lavado y prevención antes de que estos se desprendan de manera
natural, evitando así que a los usuarios les llegue, de manera sorpresiva, el
agua con
características desagradables.
1.1 Objetivos
Para realizar un documento de la calidad deseada se deben establecer objetivos, tanto generales
como específicos, los cuales orientan el rumbo de la investigación para así obtener los resultados
esperados.
1.1.1 Objetivo general
Establecer el estado del arte sobre el fenómeno de la depositación de óxidos de manganeso en las
redes de distribución de agua potable.
1.1.2 Objetivos específicos
Para lograr un desarrollo completo y detallado del estado del arte sobre el fenómeno de
depositación de los óxidos de manganeso dentro de las tuberías de las redes matrices de
distribución del agua potable, se deben cumplir los siguientes objetivos específicos:
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Determinar cuáles son las características del agua en la fuente que favorecen que el
manganeso se oxide y se deposite en las tuberías de las redes de distribución de agua
potable (RDAP).
Identificar los efectos de los materiales de las tuberías de las RDAP (hierro y PVC) en los
depósitos de óxidos de manganeso.
Definir cuáles son los mecanismos de formación y desprendimiento de los depósitos de
óxidos de manganeso en las RDAP.
Establecer las cinéticas de la formación de óxidos de manganeso de origen tanto químico
como biológico.
Plantear los diferentes mecanismos de remoción y lavado de depósitos de óxidos de
manganeso en las RDAP.
Explicar el fenómeno de coloración de agua y exponer los diferentes eventos históricos del
mismo en Colombia y en el mundo.
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2 Marco teórico
Para lograr una contextualización del estado del arte de la dinámica de los depósitos de óxidos de
manganeso en las redes de distribución de agua potable, se explican los conceptos básicos en los
cuales se fundamentará el contenido de la investigación.
2.1 Depósitos dentro de tuberías
Los depósitos en las tuberías de las redes de distribución de agua potable son cúmulos o
segregaciones de material particulado, de distinta naturaleza, los cuales viajan por medio del flujo
de agua. A través de determinados mecanismos, los conglomerados se adhieren a las paredes de
la conducción y posteriormente logran un estado de total reposo, dando lugar a
una interface
entre el fluido y el tubo (Ávila Duque & González Ramírez, 2005).
La formación de películas minerales y su posterior desprendimiento depende de condiciones tanto
químicas como físicas de la red matriz: las condiciones hidráulicas del fluido y del tipo de material
de la tubería, edad de la tubería, tiempo de residencia, concentración de cloro residual y, para el
caso biológico, concentración de oxígeno disuelto y cantidad de nutrientes (Wricke, et al., 2007;
Cerrato, et al., 2010).
2.2 Naturaleza y tipos de depósitos
Las partículas que conforman los depósitos pueden tener distintos tamaños, densidades y, como
se mencionó anteriormente, también numerosos orígenes: tanto de fuentes externas como de las
propias del proceso del potabilización (Vreeburg & Boxall, 2007).
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Por un lado, las partículas de origen externo son aquellas concentraciones de material orgánico
y/o inorgánico en la fuente de agua o reservorio que no logra ser removido en su totalidad por los
procesos utilizados en la remoción de sólidos suspendidos totales, tales
como floculación,
sedimentación y filtración, entre otros (Wricke, et al., 2007; Vreeburg, et al., 2004; Vreeburg, et
al., 2008).
Por otro lado, son diversas las rutas por las cuales ingresa o se produce el material particulado
originado por el proceso de potabilización, entre las cuales está la filtración de partículas a la red
provenientes de compuestos utilizados en alguna etapa del proceso de la planta, como, por
ejemplo, pequeños flocs resultantes del proceso de floculado o arena u otras partículas utilizadas
en los filtros. Así mismo, dentro de la tubería se llevan a cabo reacciones químicas con agentes
oxidantes (desinfectantes) que oxidan elementos solubles en agua, convirtiéndolos en material
insoluble capaz de conglomerarse y posteriormente depositarse, al igual que ocurren procesos
biológicos en los cuales microorganismos que crecen en la tubería son capaces de oxidar
elementos específicos, generando la misma consecuencia (Wricke, et al., 2007) (Dickinson & Pick,
2002). También ocurre el fenómeno de corrosión húmeda en las tuberías y accesorios que
conforman la red matriz, como resultado de las reacciones, electroquímicas en el caso de la
corrosión de tuberías metálicas y químicas en tuberías no metálicas (Bilurbina, et al., 2003), entre
el material del conducto y el medio que lo rodea, a través de intercambio de electrones. Como
consecuencia, el material de la conducción se degrada y se ven alteradas las propiedades físico-
químicas. Así mismo, se forman depósitos irregulares de óxidos en las paredes circundantes de las
tuberías (Snoeyink & Wagner, 1996).
Existen dos tipos de depósitos en una red de distribución de agua potable: los formados por las
fuerzas de fricción y los formados por las fuerzas de cohesión. Los depósitos friccionales son
aquellos que se adhieren a la pared de la conducción por medio de la fricción que ejerce el
contacto partícula-partícula y partícula-superficie (Ávila Duque & González Ramírez, 2005). Las
fuerzas que actúan sobre el conglomerado en contacto con una superficie son: la tangencial
aportada por la velocidad del flujo, la fuerza de fricción en la dirección contraria al flujo, la fuerza
normal aportada por la presión y la fuerza gravitacional; las últimas dos perpendiculares al plano
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por el que viaja el fluido (en direcciones opuestas). Las fuerzas proporcionadas por el rozamiento
entre dos cuerpos y la gravedad son fijas y dependen únicamente de la naturaleza de los
materiales en contacto y de la masa del depósito respectivamente, por lo cual, para
que se logre
una condición de reposo, las componentes normal y tangencial deben tener determinado valor
para que la suma de las fuerzas en el eje x y en eje y sea igual a cero. Los depósitos friccionales
forman una cama de sedimentos en el fondo de la tubería y, al disminuir la presión ejercida sobre
las paredes, las fuerzas se debilitan y
dicha cama se desprende del material.
Por otro lado, los depósitos cohesivos son aquellos donde se generan enlaces fuertes entre
partícula y partícula de óxidos y, así mismo, con la superficie interna de las redes. Los depósitos
cohesivos son mucho más estables que los friccionales, y su estabilidad es gobernada por la fuerza
cortante ejercida por el flujo del fluido (Boxall & Saul, 2005). Los depósitos en las redes de
distribución de agua potable son tanto de tipo friccional como cohesivo. En la parte inferior de los
tubos se puede encontrar el componente friccional formada por sedimentación y quimiostasis
(para los biológicos), al igual que el componente cohesivo. Por el contrario, las películas minerales
halladas en la parte superior de la conducción son cohesivas, formadas por mecanismos de fuerzas
dinámicas y quimiostasis (para los biológicos) (Boxall & Saul, 2005; Sly, et al., 1988).
Figura 1. Dinámica de las partículas en una red de distribución de agua potable (Boxall & Saul, 2005).
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2.3 Depósitos de óxidos de manganeso
La red de distribución de agua potable simula un reactor donde en su interior ocurren varios
procesos, tanto químicos como físicos y biológicos. El agua tratada transportada por dicha red
contiene manganeso diluido, en concentraciones que se determinan según las características y
propiedades del agua cruda, incapaz de ser removido en la planta de tratamiento. El elemento
sufre procesos oxidativos por medio de los cuales se convierte en óxido de manganeso sólido, e
interactúa con el medio hasta volverse un depósito o película mineral.
Los depósitos de óxidos de manganeso que se encuentran en la superficie interna de una red de
distribución de agua potable son de naturaleza tanto química como biológica. Como se mencionó
anteriormente, al interior de las conducciones ocurren reacciones de oxidación de elementos
solubles en el agua, como lo es el manganeso Mn
2+
en su estado natural, por medio de los residuos
del agente utilizado para la desinfección de la planta, como son el cloro, dióxido de cloro,
permanganato de potasio, ozono, entre otros. Al oxidarse, el compuesto formado es de carácter
sólido, insoluble en agua, que viaja con el flujo por las conducciones hasta que, por medio de
ciertos mecanismos, se deposita en sus paredes.
Por otro lado, los depósitos de naturaleza biológica se producen debido al crecimiento de
bacterias capaces de oxidar el Mn
2+
y colonizar las paredes internas de las tuberías. Algunas de los
géneros bacterianos con características manganeso-oxidativas que se localizan en las redes son:
Bacillus spp., bacterias gram positivas presentes en el medioambiente de manera natural, algunas
especies con capacidad oxidativa y reductiva (Cerrato, et al., 2010), Hyphomicrobium, bacterias
gram positivas comúnmente encontradas en conducciones (Sly, et al., 1988), Gallionella,
Leptothrix y Siderocapsa, entre otras (Dickinson & Pick, 2002).
El contenido de cloro residual en la red inhibe el crecimiento de las bacterias oxidativas del
manganeso, al mismo tiempo que estimula la reacción química para la producción de óxidos de
manganeso (Cerrato, et al., 2010).
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El óxido de manganeso más comúnmente encontrado en los depósitos adyacentes a las paredes
de las tuberías de las redes de distribución de agua potable es el dióxido de manganeso (MnO
2
).
2.4 Transporte de los óxidos dentro de una tubería
Los óxidos formados al interior de las redes de distribución de agua potable se transportan a
través de las conducciones por medio del flujo de agua potable, el
cual actúa como fluido
transportador. El transporte de masa de los óxidos a lo largo de la red se da por medio de difusión
y advección. Por un lado, la velocidad en las cercanías de las paredes de los tubos es cercana a
cero y se produce transporte difusivo. Por el contrario, la velocidad es máxima en el eje del tubo y
en sus alrededores más próximos, donde se lleva a cabo un transporte por advección (Ávila Duque
& González Ramírez, 2005).
Las partículas se empiezan a unir entre sí viajando por advección con el fluido a lo largo de la
tubería, hasta alcanzar las vecindades de las paredes del tubo, donde viajan por difusión hasta
conseguir el reposo y convertirse en depósitos formados en las paredes internas circundantes a la
conducción, donde se adhieren a las superficies por medio de diferentes mecanismos.
El transporte de las partículas de óxidos que previamente se convierten en depósitos es de
carácter cíclico, pues una vez el depósito esté en estado de reposo absoluto adherido a las paredes
de la tubería, éste se re-suspende y sigue viajando con el flujo de agua hasta que nuevamente
alcanza el estado de reposo y así sucesivamente. El ciclo termina cuando se lleva a cabo un
mecanismo de remoción y lavado de depósitos (Capítulo 8) o cuando éstos logran viajar y llegar
hasta el grifo del usuario final, donde se convierte en un problema de orden estético y de
inconformismo de los consumidores.
La suspensión y re-suspensión de los depósitos tanto friccionales como cohesivos se produce
cuando hay un cambio repentino en el comportamiento hidráulico del fluido dentro de las tuberías
y, por consiguiente, un aumento en el esfuerzo cortante sobre los depósitos; de esta manera, los
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depósitos fijados en la superficie se desprenden y siguen el rumbo del agua hasta que nuevamente
las fuerzas ejercidas sobre dicho fluido se igualan y se vuelve a detener por completo (Vreeburg, et
al., 2004).
2.5
Fenómeno de coloración de agua potable
Se conoce como coloración del agua potable al fenómeno de desprendimiento de material
particulado de diferentes características, tales como tamaños, densidades y orígenes. Las
partículas más relacionadas con los eventos de coloración son los óxidos de hierro y manganeso
oxidados dentro de la tubería, ya sea por medio de reacciones químicas con desinfectantes,
corrosivas u oxidaciones biológicas.
La coloración del agua se produce por un cambio drástico y atípico en las condiciones hidráulicas
del flujo como, por ejemplo, un inesperado crecimiento en la demanda, el restablecimiento del
servicio tras un racionamiento, la reparación de algún elemento, entre otros. Dichas alteraciones
al servicio normal de la red, producen un incremento del esfuerzo cortante que se describe como
la fuerza que actúa en un área de la pared del tubo perpendicular a la dirección del flujo (Cook &
Boxall, 2011), el cual genera un desprendimiento, principalmente constituido por partículas de
depósitos minerales de manganeso y hierro adheridos a las paredes de las tuberías. Visto de otra
manera, la coloración del agua ocurre por la movilización de material de una capa cohesiva
adherida, por la acción de fuerzas dinámicas y por la gravedad (Cook & Boxall, 2011). Los sólidos
viajan a lo largo de la tubería y algunos son capaces de volverse a adherir, pero otros llegan al grifo
de los consumidores en forma de agua turbia (Boxall & Saul, 2005).
Un evento de coloración del agua es muy difícil de prevenir, ya que éste se visualiza únicamente
cuando el agua llega a su destino final y empiezan a surgir quejas de los usuarios del sistema,
porque el agua suministrada tiene un color entre rojo, café y negro. Se ha estudiado mucho el
tema desde años atrás para así lograr prevenir que el agua con color llegue a los usuarios finales;
sin embargo, hasta el momento nadie ha podido construir un modelo confiable y certero para
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conocer los segmentos exactos de tubería donde se depositan los óxidos encargados de
proporcionar el color indeseable al agua potable, para posteriormente poder implementar los
mecanismos de remoción y lavado en las áreas indicadas en el momento adecuado antes de que
se desprendan de manera natural.
La coloración del agua, como se ha mencionado, es causada por la presencia de partículas que
fluyen en el agua, la cual es medida en términos de turbiedad y color verdadero y aparente. Sin
embargo, los estudios realizados en el tema han demostrado que las mediciones de turbiedad
altas están directamente relacionada con los eventos de turbiedad ocurridos y que las mediciones
de color verdadero y aparente no muestran resultados significativos de causalidad (CIACUA
(Centro de Investigación de Acueductos y Alcantarillados), 2009; Vreeburg & Boxall, 2007; Cook &
Boxall, 2011).
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3 Normativa vigente para la calidad de agua respecto a Mn
2+
El acceso al consumo de agua potable es catalogado como un derecho humano básico, dado que
dicho recurso es un elemento esencial y vital para los seres humanos. Sin embargo, el agua
requiere un tratamiento previo para que el recurso sea seguro, potable y no cause efectos
adversos a la salud ni problemas de orden estético. Para esto, se debe tener en cuenta la
reducción de sustancias tanto físicas y químicas como microbiológicas, hasta un límite establecido
y conocido como seguro, según la legislación del país en el cual se encuentre ubicado el proceso.
La Organización Mundial de la Salud (OMS) ha diseñado la “Guía para la calidad de agua potable”
con el fin de proteger la salud pública ante el consumo de agua potable. Las directrices establecen
concentraciones máximas permisibles de sustancias, microorganismos y propiedades físicas que
no tienen riesgo para la salud humana. Los criterios propuestos por la OMS son pautas que los
países toman como base a la hora de realizar su propia legislación para regular la calidad del agua;
sin embargo, los valores límite pueden ser adoptados o no, pues en muchas ocasiones los países
son más laxos o más estrictos.
Las normas de calidad del agua potable permiten hacer un monitoreo de contaminantes por la
autoridad ambiental del país, para así tener un control de los servicios públicos prestados a la
población. Generalmente, los países desarrollados tienen políticas de calidad de agua potable más
estrictas que los países de tercer mundo y países en vía de desarrollo, pues está demostrado que
al tener una mejor calidad en la prestación y suministro de servicios públicos, como el
abastecimiento de agua potable y saneamiento, aumenta el desarrollo económico de un país por
una razón fundamentalmente: la disminución de los costos destinados a asistencia sanitaria, pues
las enfermedades causadas por consumo de agua contaminada decrecen sustancialmente (WHO,
2011).
A continuación se describen los valores límite de concentraciones de la norma colombiana y las
principales normativas internacionales, como lo son la de la OMS, de la EPA y la de Francia.
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3.1
Normativa internacional.
Algunas de las normas más representativas a nivel mundial son, como se mencionó anteriormente,
las de la OMS, las de Estados Unidos propuesta por la EPA y las de Francia.
3.1.1 Organización Mundial de la Salud
El manganeso no es regulado en la “Guía para la calidad de agua potable” de la OMS, dado que el
elemento no causa problemas de salud en los niveles encontrados en el agua potable. Una
concentración de 0,4 mg de Mn/L es necesaria para que una persona tenga efectos adversos en la
salud (WHO, 2011). Sin embargo, se menciona que niveles mayores a 0,1 mg/L causan problemas
de orden estético, con un cambio de color y sabor en el agua, pues con estos
niveles se producen
asentamientos y películas de manganeso en las tuberías y su posterior desprendimiento produce
quejas de los consumidores.
3.1.2 EPA (United States Enviromental Protection Agency)
La EPA es la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos, fundada en 1970 con el fin de
proteger la salud de los humanos y la del medio ambiente por medio de normas que permitan
llevar a cabo su misión. La EPA es la entidad encargada de dirigir y liderar las ciencias ambientales
de la nación estadounidense; es la máxima autoridad ambiental norteamericana. Dicha agencia
regula la calidad del agua potable por medio de la “National Primary Drinking Water Regulation”
de 2009, donde se indica un valor límite máximo de manganeso de 0,05 mg/L.
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3.1.3 Norma Francesa
Francia, al igual que Estados Unidos, es uno de los países líderes a nivel mundial en términos de
regulación de la calidad de agua potable suministrada a la población. La norma francesa del 11 de
enero de 2007 regula el manganeso con un límite superior de 50 µg/L, lo cual corresponde a 0,05
mg/L.
3.2 Normativa nacional.
La normativa colombiana no es comparable a la francesa ni a la estadounidense, dado que estas
dos son mucho más estrictas, pues determinan un valor máximo admisible de manganeso disuelto
de 0,05 mg/L, lo cual corresponde a la mitad del valor propuesto por la OMS. Sin embargo, a pesar
de que Colombia es un país en vía de desarrollo, tiene una normativa vigente para el control de la
calidad del agua potable aceptable, que garantiza la seguridad de la población.
La legislación nacional de Colombia regula la calidad del agua potable por medio de la resolución
2115 del 22 de junio de 2007, expedida por el Ministerio de la Protección Social y el Ministerio de
Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial del país.
3.2.1 Resolución 2115 de 2007
La normativa vigente en Colombia sigue la pauta propuesta por la OMS: regula la concentración de
manganeso en un límite superior de 0,1 mg/L.
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4 Naturaleza de los depósitos de óxidos de manganeso en las redes de
distribución de agua potable.
Los depósitos o películas minerales de óxidos de manganeso en las redes de distribución de agua
potable pueden ocurrir mediante oxidación química y biológica del manganeso. El origen de la
oxidación del manganeso soluble dentro de una red depende principalmente de las condiciones de
concentración del desinfectante, lo que se encuentra directamente relacionado con la distancia
que existe desde la salida del tanque de almacenamiento del agua ya potabilizada al punto a
evaluar. A niveles elevados de desinfectante se inhibe la oxidación biológica y se estimula la
oxidación química (Cerrato, et al., 2010).
A pesar de que las normas tanto nacionales como internacionales reglamentan concentraciones
estandarizadas consideradas aptas para la obtención de agua de buena calidad (Capítulo 3), se ha
evidenciado que niveles por encima de 0,02 mg/L de manganeso en el efluente de las plantas de
tratamiento de agua potable promueven la oxidación del elemento, lo que generará
posteriormente la formación de depósitos de óxidos de manganeso adheridos a las tuberías (Sly,
et al., 1990). Cabe agregar que ningún país tiene reglamentada la norma de calidad de agua con
concentraciones menores a las mencionadas, por lo que todas las redes de distribución de agua
potable están en riesgo de sufrir eventos de coloración.
4.1 Origen químico
Siendo el manganeso soluble uno de los metales más difíciles de remover del agua en las plantas
de tratamiento de agua potable debido a su lenta oxidación a la aireación y a ciertos agentes
oxidantes, muchas plantas tienen una remoción ineficiente del mismo y, lo que no alcanza a ser
retirado, se filtra a la tubería de la red matriz donde empieza a reaccionar con el químico
remanente utilizado para la desinfección del agua en la planta. El desinfectante es llamado
químico residual. El cloro es el desinfectante más utilizado en las plantas de tratamiento a nivel
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mundial; sin embargo, también se usa dióxido de cloro, permanganato de potasio, peróxido,
ozono, entre otros (Dickinson & Pick, 2002).
La oxidación por reacción química se produce en los
lugares de las tuberías más cercanos a la
salida del agua de la planta de tratamiento, donde se encuentran las mayores concentraciones de
desinfectante, pues éste, a medida que la distancia aumenta en la red respecto a la salida del
agua, se va disminuyendo de manera significativa y, por ende, menor cantidad de manganeso
puede reaccionar para formar los óxidos insolubles. Una vez los óxidos de manganeso se forman,
éstos viajan en compañía del agua potable por las tuberías hasta un punto en el cual alcanzan el
estado de reposo y se depositan en sus paredes. Las partículas residen en la interface entre el
material del tubo y el espacio donde se trasporta el agua.
Por otro lado, muchas de las plantas que abastecen de agua potable a ciudades que tienen
problemas serios de eventos de coloración de agua, tienen ineficiencias en el diseño y manejo de
la etapa encargada de la remoción del manganeso que viene intrínseco en el agua captada. Dichas
ineficiencias se deben principalmente al mal cálculo de contacto que debe existir entre el
manganeso soluble y el agente oxidante utilizado para que efectivamente el metal se oxide
completamente de valencia +2 a +4 antes de entrar a la etapa de filtración, pues no se deja el
tiempo necesario, y tanto el manganeso soluble como el químico que no alcanzan a reaccionar
entran al sistema de distribución de agua potable y empiezan a reaccionar con el desinfectante
residual y todos los elementos, compuestos y especies que habitan dentro de las conducciones y el
agua circundante.
Estudios han demostrado que el cloro residual libre es un agente oxidante de manganeso soluble
muy efectivo; sin embargo la coloración simple no tiene muchos efectos sobre el metal (Mathews,
1947). El cloro residual libre es el cloro en forma de ion hipoclorito o ácido hipocloroso que entra a
la red de distribución de agua potable, y es el responsable de inhibir el crecimiento y proliferación
de microorganismos al interior de todo el sistema y de reaccionar con la materia orgánica todavía
presente en el agua.
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Sin embargo, existen métodos de desinfección del agua potable que pueden inhibir hasta cierto
punto la oxidación del manganeso dentro de la red, tales como combinaciones de relaciones
molares de cloro con amoniaco o cloro con dióxido de cloro (Sly, et al., 1990; Mathews, 1947).
Muchos autores afirman que al empezar la oxidación del manganeso soluble de manera
relativamente lenta, cada vez se producen óxidos más rápidamente, pues los ya originados hacen
que se formen ligandos y que la reacción se agilice (Mathews, 1947; Hao, et al., 1991; Van
Benschoten & Lin, 1992; Debordea & von Gunten, 2008).
El hierro tiene una tasa de oxidación muy alta con respecto al manganeso; es incluso oxidable
completamente a la exposición a aireación natural. Por el contario, el manganeso es uno de los
metales más difíciles de retirar del agua cruda captada. Las trazas de los dos elementos
mencionados que ingresan al sistema de red de distribución son oxidadas por el desinfectante
residual libre como se explicó; sin embargo, el hierro oxidado químicamente se deposita en los
primeros kilómetros e inclusive metros de las conducciones, y el manganeso se deposita en
lugares mucho más alejados (cercanos al centro del sistema).
4.1.1 Cinética de la formación de los depósitos de óxidos de manganeso de origen
químico dentro de la tubería de agua potable.
La extracción del manganeso soluble del agua cruda en las plantas de tratamiento de agua potable
es una necesidad muy importante y, como se mencionó anteriormente, dicho elemento no puede
ser removido por medio de oxigenación, ya que es un proceso sumamente lento al pH típico del
agua cruda, el cual oscila entre 6 y 8, por lo cual se necesita la adición de un agente oxidante
fuerte como lo es el permanganato de potasio (KMnO
4
), cloro, dióxido de cloro, entre otros.
A la salida de la planta, una vez todos los procesos de potabilización se han llevado a cabo, el agua
potable se debe transportar e iniciar el viaje por la tubería de la red de distribución hacia los
hogares de los usuarios que requieren el servicio. El manganeso disuelto en el agua que no alcanza
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a reaccionar en su totalidad, entra a las tuberías al igual que las trazas de oxidante utilizado para la
oxidación química. Por otro lado, el desinfectante residual utilizado en la planta para desactivar la
actividad de microorganismos, como virus y bacterias, que viven en el agua y causan daño a la
salud humana, debe ser garantizado en todos los puntos de la red, con un mínimo de 0,3 mg/L y
un máximo de 2mg/L.
La ineficiencia de la remoción del manganeso soluble dentro de la planta de tratamiento se debe
principalmente a dos motivos: primero, al mal cálculo del tiempo de retención en la unidad
oxidativa; es decir, que el agua no se deja el tiempo suficiente para que la reacción se lleve a cabo;
y segundo, al inyectar una cantidad insuficiente de agente oxidante. Debido al ingreso a la red del
elemento en su estado natural, el agente oxidante que no reaccionó y el desinfectante, el
manganeso se oxida fácilmente dentro de la tubería para así transformarse en partículas
insolubles, las cuales se convertirán después en depósitos de óxidos de manganeso de naturaleza
química, adheridos a las paredes de las canalizaciones.
El químico desinfectante a utilizar en cada planta de tratamiento de agua potable se elige según
las características del agua cruda y la tecnología a utilizar; sin embargo, el más común utilizado
mundialmente es el cloro, por su gran capacidad desinfectante, así como por ser muy económico.
Por otro lado, el agente oxidante más usado para la remoción del manganeso en las distintas
plantas es el permanganato de potasio. Una combinación entre los dos compuestos (desinfectante
residual y trazas de agente oxidante) dentro de la red es de gran complejidad, por lo cual en esta
sección se evalúa la cinética del cloro en reacción con el manganeso.
4.1.1.1 Oxidación con cloro
A pesar de que no se conoce mucho el comportamiento de los óxidos de manganeso en las redes
de distribución de agua potable, la cinética de la reacción que los produce químicamente se ha
modelado, conociéndose los tiempos de oxidación y como ésta se ve afectada por los distintos
factores externos.
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Existen básicamente dos modelos cinéticos propuestos por dos científicos: el primero presentado
por el profesor Hao en 1991, miembro de la ASCE y profesor asociado del Departamento de
Ingeniería Civil de la Universidad de Maryland, Estados Unidos; y el segundo propuesto por el
profesor Van Benschoten del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad Estatal de Nueva
York en 1992.
Algunos autores alegan que la oxidación por cloro sigue siendo un proceso lento y los factores
externos como de interacción de otros agentes oxidantes, materia orgánica, entre otros, se
desconocen (Hao, et al., 1991). Se sabe que la oxidación empieza a darse de manera lenta con un
tiempo de retraso o “lag time”, determinado según las cantidades de químico desinfectante
adicionado y la concentración de manganeso soluble en el agua, y que, a medida que pasa el
tiempo, la reacción se acelera. Lo anterior sucede debido a que los óxidos producidos ayudan a
que el manganeso soluble se oxide más rápido, es decir, los MnO
2
producidos inicialmente
lentamente van a reaccionar con el Mn
2+
, el agua y el cloro, para así producir dos moléculas de
MnO
2
mucho más rápido que lo que se produjo la primera molécula sin que existieran óxidos en el
agua (ver Ecuaciones 3 y 4).
La cinética de la reacción es de primer orden y se modela con la ecuación diferencial que se
muestra a continuación (Ecuación 1):
donde
y
son las constantes de velocidad de la reacción homogénea y heterogénea con
valores propuestos por Hao de 6,4E
-4
M
-1
sec
-1
y 4E
6
M
-1
sec
-1
, respectivamente (Hao, et al., 1991) y
por Van Benschoten, de 7,8E
-3
M
-1
sec
-1
y 640M
-1
sec
-
.
El primer término de la ecuación hace referencia a la reacción homogénea directa entre el
hipoclorito, el manganeso y el agua, los cuales generan una reacción de carácter lento, como ya se
había mencionado, para producir el óxido de manganeso MnO
2
(ver Ecuación 2).
[ ]
[ ][ ]
[ ][ ]
Ecuación 1. Ecuación de la cinética de la reacción de oxidación del manganeso soluble en agua con cloro.
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El segundo término hace referencia a la reacción heterogénea entre el óxido de manganeso
producido en la Ecuación 2 y el manganeso soluble remanente por medio de una reacción rápida,
y al producto de ésta en reacción con el agua y el hipoclorito de cloro residual por medio de una
reacción de rapidez moderada, Ecuaciones 3 y 4.
La cantidad estequiométrica requerida para oxidar 1 mg de Mn
2+
es 1,3 mg de cloro residual, los
cuales dividiéndolos por los pesos moleculares, determinan una relación molar Cl
2
/Mn
2+
de 1 (Hao,
et al., 1991; Van Benschoten, 1993; McPeak & Aronovitch, 1983).
Para el modelo propuesto por Hao que
se encuentra en la Figura 2 a continuación; se puede intuir
que, a una relación molar de Cl
2
/Mn
2+
= 1, el tiempo muerto antes de que el manganeso empiece a
oxidarse puede llegar a tener un valor cercano a los 350 minutos aproximadamente, lo cual
corresponde a 5,8 horas, un tiempo bastante largo; si este fuera el caso, tal vez no existiría el
problema de depósitos de óxidos de manganeso y, por ende, tampoco de coloración de agua. Sin
embargo, en la mayoría de las plantas de tratamiento de agua potable, el cloro se encuentra en
→
Ecuación 2. Reacción de producción de óxido de manganeso mediante cloro
.
→
→
Ecuación 3. Reacción de producción del ligando Mn-MnO
2.
Ecuación 4. Reacción de producción de óxido de manganeso mediante ligando Mn-MnO
2
.
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exceso, por lo cual la reacción de oxidación se produce de manera rápida. Se ha reportado en
estudios que para una oxidación parcial del 75% del manganeso en 1 hora (60 minutos), se debe
tener 9,6 veces cloro en exceso o Cl
2
/Mn
2+
= 9,6 (Hao, et al., 1991).
Figura 2. Gráfica en escala semi-logarítmica de la oxidación de Mn
2+
como función de la dosificación de cloro a pH de 8 (Hao, et al., 1991).
Adicionalmente, como se observa en la Figura 3, el pH del agua también altera la cinética de la
reacción: a menor pH, más lenta se produce la oxidación del manganeso. De manera similar, se
comporta la reacción con la variación de la temperatura: a menor temperatura, más lenta es
la
reacción.
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Figura 3. Gráfica en escala semi-logarítmica de la oxidación de Mn
2+
como función del pH a una relación molar de Cl
2
/Mn
2+
= 3,8 (Hao, et al., 1991).
Por otro lado, el modelo propuesto por Van Benshoten que
se muestra en la Figura 4, presenta un
comportamiento muy similar al hacer la comparación con la Figura 2. Adicionalmente, dicho autor
muestra, a través de la Figura 5, los comportamientos en el tiempo de las especies producidas a
una relación molar de 1,5. Como se puede observar, el manganeso soluble Mn
2+
se oxida por
completo en 300 minutos, lo cual equivale a 5 horas, mientras que los productos de las demás
reacciones emergen, a medida que el Mn
2+
se consume.
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Figura 4. Gráfica de la oxidación de Mn
2+
en función de la dosificación
de cloro a pH de 8 (Van Benschoten, 1993).
Figura 5. Predicción de las concentraciones de las especies producidas
a Cl
2
/Mn
2+
= 1,5 (Van Benschoten, 1993).
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A medida que manganeso soluble se consume por medio de la ecuación de la reacción 2, se
producen óxidos de manganeso lentamente, los cuales reaccionan por medio de la ecuación 3
rápidamente con el manganeso disponible y se produce el ligando Mn-MnO
2
. Dicho producto se
encuentra en un máximo de 50 umol/L aproximadamente a los 300 minutos, donde la reacción
finaliza debido a la ausencia de manganeso disuelto, dado que éste ya reaccionó completamente.
Inmediatamente, el ligando se empieza a consumir por medio de la reacción en la ecuación 4,
donde los óxidos de manganeso (MnO
2
) empiezan a surgir de manera acelerada aproximadamente
a los 450 minutos (7,5 horas). La reacción finaliza
a una concentración de 70 umol/L (Van
Benschoten, 1993; Van Benschoten & Lin, 1992).
4.2 Origen biológico
La oxidación biológica, como su nombre lo expresa, se produce a partir de microorganismos y
bacterias que son capaces de oxidar el manganeso soluble dentro de la red, convirtiendo así el
Mn
2+
a Mn
3+
y Mn
4+
. La forma más común de oxidación es el Mn
4+
, el cual, al unirse a una molécula
diatómica de oxígeno, produce óxido de manganeso MnO
2
.
La oxidación biológica ocurre cuando el agente utilizado en la desinfección del agua es insuficiente
y ciertos segmentos de la red matriz tienen un mínimo o nulo acceso a desinfectante residual
usado para controlar el crecimiento de las biopelículas y la proliferación de bacterias manganeso-
oxidativas. La formación de óxidos de manganeso por medio de bacterias oxidativas también
causa problemas de coloración de agua potable; sin embargo, son menos comunes y menores en
peso en comparación con los depósitos de óxidos de manganeso de origen químico encontrados
en algunas investigaciones (Sly, et al., 1990; Cerrato, 2005).
Los microorganismos vivos se encuentran en el agua tanto superficial como subterránea que es
captada para realizarle un posterior tratamiento; sin embargo, estos microorganismos no se
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remueven y alcanzan a filtrarse a la red de distribución, donde crecen y se replican en un medio
idóneo de condiciones de desinfectante residual insuficientes para detenerlas y que ofrezcan una
nivel de nutrientes aceptable para garantizar su supervivencia. Las bacterias, por medio de
reacciones extracelulares (Dickinson & Pick, 2002), logran oxidar el elemento, convirtiéndolo en un
óxido de manganeso y, posteriormente, en un depósito adherido a las paredes de las tuberías a
través de los mecanismos expuestos en el Capítulo 6.
Algunas de las bacterias capaces de oxidar el manganeso soluble en el agua potable que transita
por las redes de distribución de agua potable son: Bacillus spp, especies entre las cuales se
clasifican las bacterias Lysinibacillus fusiformis, Bacillus pumilus, Bacillus cereus, Bacillus
sphaericus, Bacillus simplex y Brevibacillus brevis; bacterias pertenecientes a Pseudomonas spp:
Pseudomonas aeruginosa y Pseudomonas saccharophila; Brevundimonas nasdae (Cerrato, et al.,
2010), Hyphomicrobium (Sly, et al., 1988), Gallionella, Leptothrix y Siderocapsa (Dickinson & Pick,
2002), Pedomicrobium manganicum, Metalogenium spp. (Sly, et al., 1990), entre otras. Algunas de
las bacterias oxidativas mencionadas tienen la capacidad de reducir el manganeso de valencia +3 y
+4 a valencia +2, como la Lysinibacillus fusiformis, Bacillus pumilus y Bacillus cereus (Cerrato, et
al., 2010).
Las redes de distribución de agua potable tratan de optimizar las concentraciones de
desinfectante residual en el flujo de agua para mantenerlo dentro del rango establecido deseado
a lo largo de todas las tuberías que la conforman. Desde hace muchos años, el estudio de
prevención y reducción de formación de biopelículas y la proliferación de bacterias dentro de las
tuberías transportadoras de agua potable es de gran importancia, y se invierten muchos esfuerzos
y dinero en el tema, pues es de principal preocupación mantener y ofrecer el agua segura para el
consumo humano. De esta manera, se explica que haya un mayor control en la formación de los
depósitos de óxidos de manganeso de origen biológico.
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4.2.1 Cinética de la formación de los depósitos de óxidos de manganeso de
origen biológico dentro de la tubería de agua potable.
Las bacterias capaces de oxidar el manganeso soluble se encuentran dispersas en el agua que
entra a las tuberías que conforman la red de distribución de agua potable donde, en su interior y a
ciertas condiciones hidráulicas, químicas y físicas, proliferan y viven a manera de biopelículas
adheridas a las paredes de las conducciones. Las bacterias empiezan la actividad oxidativa dentro
de la red, más exactamente en la capa laminar viscosa entre la pared de la conducción y el flujo de
agua donde se forman las biopelículas, oxidando el manganeso soluble presente en el agua a partir
de reacciones extracelulares en condiciones pobres de desinfectante y a un pH adecuado para que
las bacterias sean capaces de sobrevivir. Una vez el manganeso se ha oxidado, se convierte en una
biopelícula de depósitos de manganeso.
La oxidación y reducción del manganeso por medio de bacterias se producen por una cinética de
pseudo primer orden, representado por las Ecuaciones 5 y 6 que se muestran a continuación:
donde k1 es la constante de velocidad de reacción, la cual puede tener un valor en el rango de
0,106 días
-1
a 0,659 días
-1
(Cerrato, et al., 2010).
[
]
[
]
Ecuación 5. Ecuación de la cinética microbiana de oxidación y reducción del manganeso (Cerrato, et al., 2010).
[
]
Ecuación 6. Integración y separación de variables de la ecuación de la cinética microbiana de oxidación y reducción del
manganeso (Cerrato, et al., 2010).
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Como se mencionó en el numeral 5.1.1.1, en la cinética de la formación de depósitos de
manganeso de origen químico con cloro como agente desinfectante, también se forman ligandos
Mn-MnO
2
. A medida que se forman los óxidos de manganeso MnO
2
, las partículas de Mn
2+
soluble
son absorbidas por el óxido, aumentándose así la velocidad de reacción y, por ende, la formación
de óxidos de manganeso dentro de la biopelícula. La absorción que produce el óxido hacia el
manganeso soluble se acelera o se beneficia a un pH mayor a 7 (Waite, 1990).
La oxidación por medio de reacciones físico-químicas es considerablemente más rápida que la
reacción biológica producida por las bacterias oxidativas pues, como se puede observar en la
Figuras 2, 3 y 4, la oxidación completa del manganeso soluble por cloro se da en cuestión de
minutos y horas, mientras que la oxidación a partir de bacterias se produce en cuestión de días
(Waite, 1990). Las reacciones biológicas llevadas a cabo en condiciones de pH entre 6 y 8
favorecen la actividad de las bacterias manganeso-oxidativas (Waite, 1990).
Resultados de investigaciones han revelado que, a mayor velocidad en condiciones de flujo
turbulento, existe una mayor capacidad de adhesión de bacterias oxidativas a las paredes
superiores de las tuberías. A dichas condiciones hidráulicas, se produce la fuerza necesaria para
elevar las bacterias, permitiéndoles viajar desde la subcapa laminar viscosa hacia la superficie
interna de la conducción. Adicionalmente, no es evidente la formación de óxidos de manganeso de
naturaleza biológica producidos por medio del mecanismo de sedimentación (Sly, et al., 1988).
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5 Características del agua en la fuente para que se produzcan depósitos de
óxidos de manganeso en la tubería.
El manganeso es un metal que se encuentra naturalmente en la corteza terrestre y de manera
abundante, por lo cual resulta diluido en las distintas fuentes de agua. La cantidad de manganeso
soluble que se halla en los cuerpos de agua de los cuales se captan las aguas para posteriormente
potabilizarlas en una planta, depende del tipo de fuente de donde se obtenga, pues en aguas
subterráneas va a haber mucha más cantidad del elemento que en las aguas superficiales. Por otra
parte, la concentración de manganeso en su forma soluble en agua también depende de las
condiciones y características geotécnicas de la región donde se encuentra la fuente de agua,
existiendo en algunos lugares más cantidad del elemento en el suelo que en otras. Por otro lado,
se ha demostrado que la época del año o las estaciones también influyen en las concentraciones
de manganeso soluble en los afluentes de las plantas; en los meses de verano, dichos niveles se
ven notablemente elevados en comparación con los meses de invierno (Cerrato, 2005; Waite,
1990).
Cuando el manganeso se encuentra en grandes cantidades, se convierte en un problema para la
empresa prestadora del servicio de agua potable, pues es un metal difícil de remover en la planta
de tratamiento. Como se ha mencionado, el manganeso que no alcanza a oxidarse y a convertirse
en manganeso insoluble para ser retirado posteriormente en procesos de filtración en la planta,
pasa a las redes de distribución de agua potable, donde sufre procesos de oxidación tanto
químicos como biológicos, y posteriormente las partículas se depositan en las paredes internas de
las conducciones.
La oxidación química se produce al estar en contacto con el cloro residual o cualquier otro
desinfectante utilizado, generando óxidos de manganeso sólidos, los cuales se aglomeran y se
adhieren a toda la circunferencia de la conducción por medio de diferentes mecanismos. De igual
forma, se produce la oxidación por medio de microorganismos, cuando el desinfectante se
encuentra en cantidades mínimas y las bacterias oxidativas son capaces de sobrevivir.
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La normativa que regula los niveles máximos de concentración de manganeso soluble Mn
2+
para
garantizar una calidad de agua adecuada, establece que estos son entre 0,1 mg/L en la mayoría de
los países en vía de desarrollo y 0,05 mg/L en los países más exigentes, que corresponden a los
países más desarrollados, potencias mundiales. Sin embargo, se considera y se ha demostrado que
concentraciones mayores a 0,02 mg/L de Mn
2+
facilitan y promueven la producción de óxidos de
manganeso (Sly, et al., 1990), que después se convierten en depósitos, los cuales causan grandes
problemas hidráulicos y también de orden estético, al generar un cambio en el color del agua que
circula en las redes de distribución de agua potable.
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6 Formación de depósitos de óxidos de manganeso en las tuberías.
Como se ha venido explicando a lo largo del documento, la oxidación del manganeso soluble Mn
2+
tanto química como biológicamente al interior de la red matriz transportadora de agua potable,
produce óxidos de manganeso insolubles en agua, partículas coloidales en suspensión. La materia
particulada viaja por medio del fluido transportador interactuando con el agua, las paredes de las
tuberías y todo su entorno, hasta que alcanzan un estado de reposo absoluto; es en este punto
donde se convierten en un aglomerado transitoriamente estático llamado depósito.
La formación de los depósitos de óxidos de manganeso es influenciada por el tipo de material,
parámetros químicos del agua, pH, temperatura, alcalinidad, concentración de materia orgánica,
el tipo de desinfectante utilizado y la concentración de desinfectante residual con el que el agua
entra a reaccionar en la red de distribución (Peng, et al., 2010).
Aunque algunos autores afirman que los depósitos se sitúan generalmente en la parte inferior de
los tubos de las redes de distribución de agua potable por medio de la sedimentación (Alere &
Hanaeus, 1997), otros alegan que éste no es el único mecanismo por medio de los cuales las
partículas se asientan de manera transitoria en las conducciones (Sly, et al., 1988). Por dicha razón,
llamar a los depósitos “sedimentos” no es adecuado ni correcto; es una idea errónea de la gente,
no sólo del común sino de profesionales en el tema, que distorsiona el sentido de la palabra.
El óxido de manganeso se deposita en las paredes internas de las conducciones por medio de
distintos mecanismos, descritos a continuación, los cuales causan adherencia de la partícula de
óxido en la superficie del tubo. En el caso de las bacterias oxidativas de manganeso, éstas se
transportan principalmente a partir de fenómeno de quimiostasis (Sly, et al., 1988).
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6.1 Sedimentación
La sedimentación es el proceso por el cual las partículas sólidas en movimiento en la corriente de
agua se asientan en una superficie con una velocidad determinada, llamada velocidad de
sedimentación o de asentamiento. El principio y fuerza motora que hace que las partículas se
sedimenten es la fuerza de gravedad ejercida sobre las mismas.
Bajo condiciones de flujo estático o considerablemente lento, generalmente en tuberías de
diámetros grandes donde transita un caudal de agua bajo, prevalece la formación de depósitos de
óxidos de manganeso por medio de efectos de la sedimentación. Las partículas de óxido de la
superficie laminar viscosa caen hacia la superficie interna del tubo en una trayectoria similar al que
se encuentra en la Figura 6.
Las partículas que viajan a través de las conducciones con un flujo de agua que transita a
velocidades reducidas, se van aglomerando entre sí, formando flóculos cada vez más grandes. Por
consiguiente, su velocidad de asentamiento aumenta progresivamente, hasta que finalmente hace
contacto con la pared de la conducción.
Los depósitos formados por medio de sedimentación suelen ser de carácter dominantemente
friccional, aunque también hay adhesiones cohesivas. Éste tipo de depósito se ubica en la parte
inferior de la conducción, formando una cama de sedimentos, como se observa en las Figuras 1 y
7.
La velocidad y trayectoria de las partículas en sedimentación depende de la gravedad y de la
velocidad del flujo de agua a la cual transite, como se observa en la Figura 6.
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Figura 6. Esquema de la trayectoria de las partículas depositadas por sedimentación.
6.2 Fuerzas dinámicas
Bajo condiciones de flujo turbulento, prevalece la formación de depósitos de óxidos de
manganeso por medio de fuerzas dinámicas (Sly, et al., 1988). Hay dos tipos de fuerzas dinámicas
que se llevan a cabo entre una partícula de óxido de manganeso y la superficie de las tuberías en
las cuales circula agua potable: las fuerzas de Van der Waals y las electrostáticas. Las primeras
dominan las interacciones y, por ende, se adhieren más partículas a las paredes por medio de la
atracción entre los dos cuerpos que genera el fenómeno (Viesser, 1995).
Como se ha mencionado a lo largo del documento, la formación de depósitos de óxidos de
manganeso por medio del mecanismo de sedimentación, se forman a bajas velocidades en la
parte inferior de la conducción. Por el contrario, la depositación a partir de fuerzas dinámicas
ocurre a condiciones de velocidad superiores y se adhieren en todo la circunferencia interna de las
tuberías como se observa en la figura 7 (Vreeburg & Boxall, 2007).
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Figura 7.Formación de depósitos de óxido de manganeso según condiciones de velocidad de flujo (Vreeburg & Boxall,
2007).
6.2.1 Fuerzas de Van der Waals
La adhesión y remoción de partículas de carácter coloidal en una superficie son gobernadas por las
fuerzas omnipresentes de atracción de Van der Waals (Viesser, 1995). El fenómeno de adhesión
entre los dos cuerpos debido a fuerzas de Van der Waals se da por la atracción mutua que existe
entre las moléculas a una distancia determinada. Dicha interacción entre las moléculas de óxido
de manganeso y el material de las tuberías en una red de distribución de agua potable, produce el
movimiento de las partículas de óxidos hacia la superficie interna de las conducciones y genera
una adhesión entre los mismos, convirtiéndose en depósitos.
Las interacciones se determinan por las propiedades de la superficie del tubo y de la molécula, y
no por las propiedades del flujo del agua que transita por las conducciones. La atracción entre dos
cuerpos sólidos por medio del fenómeno de Van der Waals se lleva a cabo creando una capa en la
superficie, de un espesor igual a la distancia entre la pared y la partícula (Viesser, 1995).
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Las fuerzas de Van der Waals pueden ser calculadas cuantitativamente por medio de la siguiente
ecuación siguiendo el esquema de la Figura 7.
Figura 8. Esquema de la adhesión de una esfera-superficie (Viesser, 1995).
Donde:
A es una constante que depende del material y del medio en el cual se encuentre.
Z es el radio entre la esfera y la superficie.
R es el radio de la esfera.
H es el espacio entre la esfera y la superficie.
A medida que el material sea más denso electrónicamente, como es el caso de los metales puros,
la constante A es más grande, por lo cual se van a producir fuerzas más elevadas. Lo anterior
Ecuación 7. Cálculo de la fuerza de Van der Waals (Viesser, 1995).
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asegura una atracción más fuerte entre los dos cuerpos y una adherencia más compacta (Viesser,
1995). Por otra parte, la deformación de la partícula de óxido de manganeso influye en el aumento
en magnitud de las fuerzas de Van der Waals (F
A
), debido a la ampliación del área de contacto
entre partícula y superficie (Quesnel, et al., 2001).
6.2.2 Fuerza electrostática
Todos los materiales sólidos en un medio acuoso tienen una carga superficial, debido a la
adsorción de iones presentes en el agua o debido a la disociación de su superficie por rozamiento
y colisiones entre partículas o con las mismas paredes de la conducción (Rumpf, 1990; Viesser,
1995). Así pues, las partículas de óxidos de manganeso y la superficie del material de la tubería se
atraen por medio de una fuerza electrostática, debido a las cargas opuestas que manejan.
Para que las partículas de óxidos de manganeso se adhieran a la pared de la tubería deben tener
una carga contraria a la de superficie de la conducción; de lo contrario, la fuerza no sería de
atracción sino de repulsión. Las fuerzas electrostáticas también juegan un papel dominante en la
formación de depósitos de óxidos de manganeso; sin embargo, la adhesión de partículas a las
superficies de las tuberías por medio de las fuerzas de Van der Waals se encuentran de manera
más abundante.
La adhesión por medio de fuerzas electrostáticas es controlada por medio de la constante
dieléctrica del líquido, la fuerza iónica, el potencial de la superficie, el tamaño de la partícula y la
constante Hamaker (Viesser, 1995).
La formación de los depósitos de óxido de manganeso no se da por medio de un mecanismo
específico, sino por una combinación de los tres mencionados anteriormente. La sedimentación
prevalece en tuberías de gran diámetro donde transita poco caudal, por lo cual resulta una
velocidad muy baja permitiendo que la gravedad deposite las partículas en el fondo del tubo. Por
otra parte, los fenómenos de Van der Waals y fuerzas electrostáticas se producen cuando las
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tuberías están parcialmente llenas con una velocidad de flujo mayor y un régimen hidráulico más
turbulento. Los depósitos formados por medio de estos mecanismos se ubican principalmente en
la parte inferior de la tubería.
Dados los tres mecanismos expuestos, las conducciones de las redes de distribución de agua
potable tienen óxidos adheridos en toda la circunferencia de los tubos, y no únicamente los
depósitos se conforman de sedimentos en su parte baja.
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7 Desprendimiento de las partículas de óxidos de manganeso en las tuberías.
Las partículas sólidas que forman conglomerados entre sí y se depositan posteriormente en toda
la circunferencia interna de las tuberías a partir de los mecanismos expresados previamente, son
expuestas a ciertas acciones mecánicas, lo cual hace que los depósitos se desgasten, generando así
el desprendimiento de los mismos de las paredes de las conducciones en un momento dado. Al
desprenderse, las partículas comienzan a viajar con el flujo de agua, una vez más a través de la red
matriz, hasta que se vuelven a depositar o hasta llegar a los grifos de los consumidores.
El espesor máximo del depósito sin que ocurra desprendimiento de partículas es exactamente
igual al espesor de la subcapa laminar viscosa donde, como se explicó anteriormente, el flujo viaja
a una velocidad cercana a cero y se produce un transporte de masa difusivo. Así pues, el espesor
del depósito es controlado por la velocidad del flujo y, por consiguiente, por el esfuerzo cortante
que éste produce por la fricción que ejerce el agua sobre las paredes de la tubería (CIACUA (Centro
de Investigación de Acueductos y Alcantarillados), 2009).
Los depósitos se forman en su estado estático hasta que ocurre un incidente o un cambio brusco y
repentino en las condiciones hidráulicas, creando un esfuerzo cortante sobre la interface fluido-
material, lo que produce un desprendimiento o resuspención de las partículas de óxidos de
manganeso hacia la red de distribución de agua potable (Alere & Hanaeus, 1997;’Cerrato, et al.,
2006)
.
A continuación se describen los diferentes mecanismos por los cuales los depósitos de óxidos de
manganeso se desprenden de las paredes de las conducciones pertenecientes a las redes de
distribución de agua potable. Existen cuatro mecanismos que desencadenan la suspensión de las
partículas de óxidos de manganeso: abrasión, erosión, desprendimiento en masa y depredación.
Las principales fuentes de suspensión de partículas son la erosión y el desprendimiento en masa,
pues son los mecanismos que más volumen aportan al desprendimiento de éstas (Escovar &
Saldarriaga, 2011).
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7.1.1 Abrasión
El desprendimiento de partículas sólidas de óxidos de manganeso que conforman el depósito
adherido a las paredes de las tuberías por medio de abrasión, se presenta cuando existe una alta
turbulencia dentro de la conducción y se producen fuerzas axiales por medio de colisiones entre el
material particulado que transcurre libremente por el agua que viaja en la tubería y las partículas
de los depósitos o tubérculos ya fijados en las paredes (Rittman & Mc Carty, 2001; CIACUA (Centro
de Investigación de Acueductos y Alcantarillados), 2009).
Las partículas que intervienen en el proceso de abrasión pueden partir de fuentes variadas, ya sea
por el contacto entre los mismos tipos de óxidos que aún no se han logrado depositar o que ya se
desprendieron aguas arriba, partículas provenientes de procesos de floculado en la planta que se
filtran a las redes, el desgaste de las mismas tuberías y accesorios, entre otros. El desprendimiento
por este tipo de fuerza mecánica se produce a pequeña escala, pues los choques, a pesar de que
son cuantiosos y repetitivos, logran desprender fragmentos mínimos de la superficie del sólido.
7.1.2 Erosión
El desprendimiento causado por el fenómeno de erosión es el mecanismo que, según varios
investigadores, contribuye a la remoción del depósito en las redes de distribución de agua potable,
junto con el desprendimiento en masa que se explicará posteriormente (CIACUA (Centro de
Investigación de Acueductos y Alcantarillados), 2009).
Dicho mecanismo es de carácter lento pero a su vez continuo, y produce efectos importantes en la
acumulación del depósito (Rittman & Mc Carty, 2001), pues desprende partículas pequeñas que
conforman la superficie del sólido expuesta al flujo del agua, frenando el crecimiento del mismo.
Al igual que los desprendimientos causados por la abrasión, los resultantes del fenómeno erosivo
logran “pulir” el depósito, ocasionando una disminución en la rugosidad del mismo, ya que éstos
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remueven el material más superficial que existe en su matriz de composición (CIACUA (Centro de
Investigación de Acueductos y Alcantarillados), 2009). Así pues, el depósito logra estilizarse y
volverse liso, lo cual le causa una estructura más firme y estable.
7.1.3 Desprendimiento en masa
A diferencia de los mecanismos dichos, el desprendimiento en masa o separación, como también
es llamado, genera el desprendimiento de grandes fragmentos de masa que conforman un
depósito. Es una
pérdida repentina e intermitente de una porción grande de la película mineral,
que logra modificar drásticamente su estructura y por ende su estabilidad (Rittman & Mc Carty,
2001).
El desprendimiento en masa de una película puede llegar a afectar toda su profundidad o espesor,
causando la remoción de una gran porción del depósito (Rittman & Mc Carty, 2001). Los efectos
de este tipo de mecanismo son, al contrario de la abrasión y erosión, un aumento en la rugosidad,
ya que el sólido adherido pasa a ser más irregular y, como consecuencia, se obtienen cambios
significativos en los patrones del flujo y un aumento en el esfuerzo cortante que propiciará
posteriores desprendimientos por medio de cualquiera de los cuatros tipos expuestos (CIACUA
(Centro de Investigación de Acueductos y Alcantarillados), 2009).
Se ha demostrado científicamente que películas formadas que hayan permanecido por un mayor
tiempo en la superficie de una tubería, es decir que tengan más edad de adhesión y lazos más
fuertes tanto con el material del tubo como con las otras partículas que lo conforman, tienden a
desprenderse en masa y a afectarse de manera más explícita que los depósitos jóvenes o que
lleven poco tiempo de adherencia (CIACUA (Centro de Investigación de Acueductos y
Alcantarillados), 2009). Cabe agregar que los depósitos de más edad tienen mayor espesor y, por
lo tanto, hay una mayor probabilidad de que ocurra el desprendimiento en masa.
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Los depósitos que sufren fenómenos abrasivos y erosivos muy difícilmente se van a ver expuestos
al desprendimiento en masa pues, como se mencionó, adquieren una mayor estabilidad debido a
que su superficie se torna más lisa. Sin embargo, cuando una película sufre el proceso de
desprendimiento en masa, siempre está el riesgo de que se desprenda el depósito por completo o
que éste se fraccione, convirtiéndose una parte en un fragmento más o menos estable, bien
adherido a la superficie, y otra parte en un fragmento supremamente inestable, que muy
probablemente siga experimentando este tipo de mecanismo de remoción de manera espontánea
(CIACUA (Centro de Investigación de Acueductos y Alcantarillados), 2009).
7.1.4 Depredación
Este mecanismo es el que menos aporta en masa al desprendimiento de depósitos de óxidos de
manganeso adheridos a las paredes de las conducciones de las tuberías que transportan agua
potable. Para el caso de las biopelículas, el término “depredación” se utiliza cuando hay presencia
de microorganismos bacterianos que se alimentan de las colonias que hacen parte de las mismas,
y hay un proceso de selección natural (CIACUA (Centro de Investigación de Acueductos y
Alcantarillados), 2009). Sin embargo, cuando se habla de depredación en el ámbito de películas
minerales, el término “depredación” hace referencia al proceso que realizan las bacterias de
reducir los óxidos de manganeso MnO
2
a manganeso soluble Mn
2+
.
Cuando sucede la depredación en los depósitos, se realiza el ciclo contrario al que ocurrió cuando
el manganeso soluble que entró a la tubería se oxidó biológicamente y se convirtió en una
partícula soluble que tiempo después se depositó. Muchas bacterias oxidativas del manganeso
tienen la capacidad de reducir el mismo elemento; microorganismos como Lysinibacillus
fusiformis, Bacillus pumilus y Bacillus cereus (Cerrato, et al., 2010), los cuales
pueden oxidar el
manganeso soluble a MnO
2
y también producir lo contrario: reducir de Mn
2+
a MnO
2
.
Aunque todos los mecanismos expuestos aporten al desprendimiento de los depósitos de óxidos
de manganeso adheridos a las superficies de las tuberías que componen una red de distribución
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de agua potable, el que más produce efectos en el fenómeno de la coloración de agua es el
desprendimiento en masa pues, como se explicó, es el más significativo en términos de remoción
de grandes pedazos de sólido; puede hasta llegar a eliminarlo por completo de la pared de la
conducción. El desprendimiento en masa es el mecanismo que más aporta color al agua dentro de
una red matriz y el principal causante de las quejas de los consumidores del agua potable hacia la
entidad prestadora del servicio por coloración del agua que fluye dentro de la red.
A pesar de que existen los cuatro métodos explicados, un depósito no se desprende por un único
mecanismo ni por cada uno por separado, sino por la combinación de todos en un rango de
tiempo. Así pues, los desprendimientos se llevan a cabo con una variedad de tamaños de
partículas: fragmentos tanto minúsculos como grandes en tamaño.
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8 Efecto de los materiales de las tuberías en la formación y desprendimiento
de los depósitos de óxidos de manganeso.
El nivel de adhesión, desarrollo y posterior desprendimiento de los depósitos de óxidos de
manganeso depende en gran medida de los tipos de materiales de las tuberías que componen la
red de distribución de agua potable. Por tal motivo, la comprensión del comportamiento del
conjunto depósito-superficie en los diferentes materiales es definitiva a la hora de evaluar la
calidad del agua con respecto a eventos de turbiedad y coloración de agua.
Cada material tiene sus propias características únicas que definen la manera en la cual interactúan
con el ambiente; el agua y los componentes químicos y biológicos que se encuentran dentro del
agua como en las superficies de las tuberías. Las propiedades principales a evaluar son la
rugosidad, humectabilidad y sus propiedades adhesivas (Wricke, et al., 2007). El material a utilizar
en las redes de distribución de agua potable es elegido por la empresa encargada del diseño y
construcción de la misma de acuerdo a sus propiedades, necesidades y presupuestos.
En el presente documento se evalúan las propiedades de tuberías de PVC y de hierro, materiales
comúnmente utilizados en las redes de distribución de agua potable de los diferentes países del
mundo.
8.1 Tuberías de PVC
El polivinilo de cloruro, comercialmente llamado por sus siglas PVC, es un polímero termoplástico
formado por cadenas repetitivas de vinilo de cloruro, formadas por medio de un proceso de
polimerización. Las resinas del plástico son utilizadas en múltiples industrias para la construcción
de elementos que tienen diferentes funciones como: juguetes, botellas, tubería para diferentes
fines como la conducción de agua potable, sanitaria, ventilación, eléctrica y fibra óptica, entre
otros.
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La tubería de PVC tiene ciertas propiedades que la convierten en óptima para la función de
transportar el agua potable. El PVC tiene una estructura amorfa con átomos polares en la
estructura molecular. El material se caracteriza por ser químicamente estable, de larga duración y
altamente resistente a la oxidación por oxígeno del ambiente y otras sustancias oxidativas, a los
ácidos, alcalinos y a químicos inorgánicos (PVC Organization, 2012).
El polivinilo de cloruro es un material no polar, incapaz de intercambiar electrones con iones como
el manganeso. Por dicha razón, las partículas de óxidos de manganeso adheridos a las paredes de
las tuberías de PVC en forma de depósitos, se unen de manera superficial. Cuando el agua potable
fluye de manera constante por la tubería, el depósito se encuentra en forma de una película de
color café oscuro de textura gelatinosa. Por el contrario, cuando la tubería deja de transportar
agua continuamente, el depósito toma un aspecto quebradizo (Cerrato, et al., 2006).
Debido a propiedades inertes tanto químicas como electroquímicas, los sólidos de óxidos de
manganeso son más fáciles de desprender de las paredes de las conducciones de material de PVC.
Por ende, son mayores los problemas de coloración de agua potable en zonas donde prevalece la
utilización de tubería de dicho material en las redes de distribución.
Por otra parte, el desprendimiento de las partículas se vuelve más evidente cuando el servicio de
agua potable se interrumpe por unas horas y se restablece después, ya que, como se mencionó
anteriormente, las partículas interactúan superficialmente con la tubería sin el respaldo de enlaces
de electrones; tan sólo se unen por medio de fuerzas friccionales, las cuales resultan débiles al
ejercer un esfuerzo cortante elevado repentinamente en el depósito seco y fraccionado. Aun así,
se ha comprobado en pruebas
que la tasa de desprendimiento del depósito en condiciones de
flujo constante, a pesar de no ser igual a las de flujo interrumpido, es muy alta (Cerrato, et al.,
2006).
Estudios realizados en Tegucigalpa, Honduras, han arrojado resultados concordantes con la teoría
expuesta, pues en la red de distribución de dicha ciudad se reporta un mayor número de quejas
referentes a la coloración del agua de hogares en zonas que reciben el servicio de agua potable de
tubería donde predomina el PVC en la red (Cerrato, 2005).
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8.2 Tuberías de hierro
El hierro ha sido el material más utilizado para la fabricación de tuberías para el tránsito de aguas
industriales y municipales a nivel mundial. Existen variaciones de las tuberías basadas en hierro
utilizadas para el transporte de agua potable, como son: el hierro galvanizado, el hierro dúctil y el
hierro fundido; el comportamiento de éstas se determina por las propiedades intrínsecas del
hierro como tal y por las interacciones con los distintos materiales que fluyen con el agua o que se
originan en ella (Cook & Boxall, 2011). Las tuberías de hierro, al ser expuestas al agua y a otros
materiales, son altamente corrosivas, por lo cual se debe tener especial cuidado con este aspecto.
En el caso concreto de la utilización del hierro en las redes de distribución de agua potable, resulta
óptimo dado que dicho material ofrece propiedades únicas para la conducción de aguas, pues las
tuberías son altamente seguras y resistentes a posibles fallas que se pueden originar, como con los
movimientos de tierra o con el simple transporte de las mismas hacia el lugar de instalación. Las
tuberías de hierro son prácticamente irrompibles
;
en condiciones de operación normales en una
red matriz de una ciudad o municipio, son altamente resistentes a la tracción para contrarrestar
cargas externas severas y altas presiones (Asumicol, 2012).
Los depósitos de óxido de manganeso en conducciones de hierro tienen apariencia de corrosión;
es decir, no hay una notable separación entre la película mineral y la pared de la conducción. Por
el contario, el depósito parece una extensión de la tubería. Lo anterior se debe a la interacción
química y electrónica del óxido con la superficie del tubo y la capacidad que éste tiene de
intercambiar electrones con otros elementos como el hierro, por ejemplo. En ocasiones, su co-
depositación permite que el manganeso haga parte del proceso de corrosión dentro del tubo
(Cerrato, et al., 2006).
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Figura 9. Depósitos de óxidos formados en una conducción de agua potable de hierro (Wricke, et al., 2007).
Al reaccionar el depósito electrónicamente con el material del tubo de hierro, tiene un mayor
poder de adhesión que en el caso de los tubos de PVC. Por lo anterior, se afirma que una red
matriz compuesta principalmente por tubería de hierro va a tener dificultades de disminución de
diámetro a largo plazo, pues mayores cantidades de material particulado se depositarán y se
mantendrán en las paredes por un tiempo extenso indeterminado, mientras que en tuberías de
PVC se depositará menor cantidad de material y se desprenderá más rápidamente, causando
problemas de coloración de agua.
Al igual que en las tuberías de PVC, en condiciones de sequedad en los tubos de hierro a causa de
la suspensión del servicio y el posterior restablecimiento, los desprendimientos de los depósitos
de óxidos de manganeso son más elevados que en condiciones de flujo continuo por la misma
razón que en el caso del PVC; la turbulencia y el esfuerzo cortante hacen efecto sobre el depósito
que no experimentaba flujo alguno en las últimas horas (Cerrato, et al., 2006). En esta ocasión, la
diferencia entre el desprendimiento de los óxidos de manganeso a condiciones de flujo constante
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e intermitente son muy diferentes, pues el esfuerzo cortante que aporta el agua a condiciones de
flujo continuo no hace un efecto significativo en los depósitos, dado que la fuerza de adherencia
es muy grande entre los óxidos y el material de la conducción.
Contrariamente a los resultados obtenidos en el estudio en Tegucigalpa, las quejas de los
consumidores referentes a la llegada del agua con aspecto desagradable al grifo de agua potable
en casas ubicadas en zonas donde predomina la tubería de hierro, son significativamente
reducidas. Por lo anterior, se concluye y se afirma que los óxidos de manganeso adheridos a las
tuberías de hierro se unen a las paredes con una fuerza más potente debido a los enlaces de
electrones que se forman entre el material de la conducción y el manganeso.
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9 Mecanismos de remoción y lavado de los depósitos de óxidos de manganeso
dentro de la tubería.
Como se ha mencionado a lo largo del documento, el hecho de que existan depósitos de óxidos de
manganeso al interior de las redes de distribución de agua potable no sólo ocasiona problemas de
coloración del agua potable, sino una disminución de diámetro y un aumento en la rugosidad en el
interior del material de la tubería. Lo anterior puede generar un grave problema, dado que se
alteran las capacidades y eficiencias hidráulicas en el transporte de agua, un aumento de la
fricción sometida al flujo y por ende un menor caudal, menores velocidades de flujo y mayores
pérdidas. Por las razones mencionadas, se hace necesaria la implementación de mecanismos de
lavado de manera periódica, siendo un recurso habitual de operación para que se puedan
garantizar unas condiciones de flujo eficientes y una buena calidad de agua (CIACUA (Centro de
Investigación de Acueductos y Alcantarillados), 2009).
Se han invertido grandes esfuerzos en encontrar la manera de remediar los efectos que producen
tanto las biopelículas como las películas minerales, entre las cuales se encuentran los depósitos de
óxidos de manganeso. Para ello, la manera más efectiva hallada hasta el momento para limpiar las
redes y aumentar la calidad estética del agua son los lavados de flujo a presión, como lo son los
lavados hidráulicos tanto convencional como unidireccional. Sin embargo, también existe otro tipo
de tecnologías de lavado, tal como la limpieza mecánica, en la cual se encuentran el lavado con
inclusión de aire, el uso de materiales absorbentes y abrasivos, y el lavado por medio del dragado
de sedimentos que, aunque son mecanismos de control, no son tan comunes como los lavados
hidráulicos (CIACUA (Centro de Investigación de Acueductos y Alcantarillados), 2009).
9.1
Lavado hidráulico
El lavado hidráulico es el método más utilizado junto con la limpieza con aire (CIACUA (Centro de
Investigación de Acueductos y Alcantarillados), 2009) por las empresas prestadoras de servicio de
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agua potable para provocar el desprendimiento forzado de películas tanto minerales como
biológicas. La función del lavado es aumentar el esfuerzo cortante por medio del incremento
repentino de la velocidad del flujo de agua que, como se ha mencionado anteriormente, induce el
desprendimiento de los depósitos adheridos a las paredes internas de las conducciones.
Los lavados más comunes utilizados para limpiar las tuberías e inducir el desprendimiento de los
óxidos en las redes de distribución de agua potable y evitar un evento de coloración de agua
repentino son el lavado hidráulico convencional y el unidireccional, los cuales serán descritos con
detenimiento a continuación. Sin embargo, el lavado hidráulico no es eficiente en tuberías de gran
diámetro (mayor a 12”), pues los caudales del flujo a presión requeridos son muy elevados para
obtener la velocidad y el esfuerzo cortante adecuado alrededor de toda la tubería, lo cual no
resulta fácil de asegurar (CIACUA (Centro de Investigación de Acueductos y Alcantarillados), 2009).
Este tipo de lavado resulta eficiente para remover e inducir el desprendimiento tanto de las
biopelículas como de los depósitos de óxido de manganeso formados por sedimentación y por
fuerzas dinámicas alrededor de las paredes internas de las tuberías que conforman la red de
distribución de agua potable.
La función del lavado es aumentar de manera drástica el esfuerzo cortante, para que así el flujo de
agua logre erosionar los depósitos y biopelículas adheridas a las conducciones y removerlos de
manera definitiva de la red (CIACUA (Centro de Investigación de Acueductos y Alcantarillados),
2009).
9.1.1 Lavado convencional
El lavado hidráulico convencional consiste en abrir las válvulas e hidrantes de un segmento de la
red de distribución de agua potable en puntos de baja presión y puntos muertos principalmente,
donde el consumo del agua en chorros sea mínimo, por un tiempo indeterminado y sin seguir un
orden específico (CIACUA (Centro de Investigación de Acueductos y Alcantarillados), 2009). La
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apertura de las válvulas y los hidrantes permiten que el flujo de agua salga de la red arrastrando
las partículas erosionadas y el agua no deseada. En el momento que se tenga la calidad de agua
deseada, se cierran las válvulas y se restablece el servicio a la comunidad.
Este método de lavado, aunque remueve sedimentos y biopelículas en las tuberías, se hace de
manera superficial, pues remueve los que están adheridos con menor fuerza cohesiva y donde,
por consiguiente, predomina la adherencia friccional; es decir, los depósitos y películas más
jóvenes. Los efectos del lavado hidráulico convencional no son duraderos, por lo cual se debe
realizar de manera repetitiva. En algunas partes del mundo con estaciones, se realiza cada tres
meses y en otras, donde no existen estaciones, cada dos años (CIACUA (Centro de Investigación de
Acueductos y Alcantarillados), 2009).
Este tipo de lavado es usado como medida correctiva y como respuesta inmediata a las quejas
presentadas por los usuarios. Este método también se utiliza después de hacer mantenimientos
generales regulares a las tuberías y accesorios, puesto que al realizarlas se deteriora la calidad del
agua. Resulta fácil de realizar ya que no requiere planeación previa y se necesita únicamente un
operario capaz de realizar la tarea (CIACUA (Centro de Investigación de Acueductos y
Alcantarillados), 2009).
La velocidad ideal recomendada por la American Water Works Associations (AWWA) para la
remoción de los depósitos superficiales es de 1,5 m/s; sin embargo, estudios demuestran que una
velocidad de 1,8 m/s puede llegar a ser más adecuada (CIACUA (Centro de Investigación de
Acueductos y Alcantarillados), 2009).
Para el diseño del lavado hidráulico convencional, se deben elegir los segmentos de tubería que
tengan baja presión y puntos muertos, que es donde se deposita más cantidad de óxidos. Estos
puntos son llamados puntos calientes. El lavado de los puntos calientes, desde donde se
desprende un mayor volumen de depósitos y se genera la coloración del agua, ayuda como
medida de solución inmediata a las quejas de los consumidores.
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9.1.2 Lavado unidireccional
El método de lavado hidráulico unidireccional es una variación del lavado convencional, con la
diferencia de que a la hora de realizarlo, no se abren todas las válvulas e hidrantes de un
determinado sector, sino que se abren y se cierran las válvulas e hidrantes de cierta manera, para
que el agua quede fluyendo en una única dirección, con un valor promedio de velocidad
recomendado de 1,8 m/s (CIACUA (Centro de Investigación de Acueductos y Alcantarillados),
2009). De esta manera, el flujo de agua de lavado puede alcanzar unas velocidades más elevadas,
por lo cual se puede desprender mayor volumen de depósitos.
Las partículas removidas recorren cierta distancia en la misma dirección hasta salir de la red, y no
ocurren eventos como en el lavado convencional, que partículas removidas pueden llegar a
fragmentos de red que ya ha sido lavada y volverse a ensuciar. Por las razones expuestas, el lavado
unidireccional es mucho más efectivo que el convencional, sumándole a esto que es un método
menos costoso, ya que se utiliza una menor cantidad de agua para la realización del lavado.
Se recomienda hacer los lavados de este tipo en horas de bajo consumo de agua potable, los
cuales dependen de la región en donde se encuentre establecida la red; sin embargo, se puede
afirmar, de manera general, que estos horarios estás comprendidos entre las 11 de la noche y las 5
de la mañana (CIACUA (Centro de Investigación de Acueductos y Alcantarillados), 2009). Los
lavados hidráulicos unidireccionales se deben repetir de manera periódica cada vez que la entidad
prestadora del servicio lo tenga planeado. En ciudades de países desarrollados se llegan a realizar
hasta cada dos meses (CIACUA (Centro de Investigación de Acueductos y Alcantarillados), 2009).
Contrariamente al lavado hidráulico convencional, el cual se lleva a cabo principalmente como
respuesta a las quejas de los consumidores por mal olor, color y sabor, y para recuperar de
manera instantánea pero momentánea la calidad del agua, el lavado unidireccional es una medida
preventiva que requiere una planeación previa y se lleva a cabo para evitar que eventos de
coloración de agua lleguen a los grifos de los consumidores y se reporten nuevas quejas.
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Dicha estrategia de limpieza de una red matriz alcanza a remover grandes volúmenes de películas
tanto minerales como biológicas, y debido a su alta eficiencia, bajo costo y el requerimiento de tan
sólo dos operarios para llevarlo a cabo (CIACUA (Centro de Investigación de Acueductos y
Alcantarillados), 2009), es la técnica más aplicada para este fin a nivel mundial.
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10 Casos de estudio
A través del tiempo, se ha tratado de combatir el problema de los eventos de coloración de agua
potable en las diferentes redes de distribución; sin embargo, aún no se ha encontrado la manera
de prevenirlos. A continuación, se expondrán diferentes casos de estudios nacionales e
internacionales.
10.1 Bogotá, Colombia
El sistema de Tibitoc abastece a Bogotá y algunos municipios como Sopó, Gachancipá, Tocancipá,
Cajicá y Chía (CIACUA (Centro de Investigación de Acueductos y Alcantarillados), 2009),
suministrando un caudal de 4,66 m
3
/s, el cual corresponde al 26% del agua total que circula por la
red matriz de la ciudad capital y municipios aledaños. La planta se ubica 50 km al norte de la
ciudad, entre los municipios de Sopó y Zipaquirá, por lo cual el agua tratada debe recorrer grandes
distancias dentro de tuberías de distintos tamaños para así llegar al usuario final.
La planta de tratamiento de agua potable de Tibitoc es una de las más importantes de Colombia y
la segunda en importancia en Bogotá. Tiene una capacidad máxima de tratamiento de 10,5 m
3
/s,
aunque actualmente sólo abastece a la ciudad y los municipios mencionados con 4,66 m
3
/s. La
planta capta el agua del río Bogotá y es tratada para proveer agua potable de buena calidad a la
población; sin embargo, el afluente de la planta se caracteriza por tener valores elevados de
turbiedad y color (CIACUA (Centro de Investigación de Acueductos y Alcantarillados), 2009), siendo
una de las principales preocupaciones de la empresa concesionaria que se encarga de la operación
y mantenimiento de la misma.
La planta trabaja con una unidad de remoción de manganeso por oxidación química con
permanganato de potasio, y utiliza cloro gaseoso como desinfectante. El agua tratada en Tibitoc
sale a través de tuberías de 60” y 78” en sentido norte-sur (CIACUA (Centro de Investigación de
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diámetros y distribuyéndose por diferentes tuberías de distintos tamaños, hasta llegar a su destino
final.
Tibitoc cumple de manera estricta con la Resolución 2115, cumpliendo todos los estándares de
calidad de agua; sin embargo, los niveles de manganeso total a la entrada de la planta son
elevados, aunque inferiores a la norma colombiana, con un valor de 0,08 mg/L, y a la salida de la
planta de 0,041 mg/L, en promedio para el año 2008. Siendo aproximadamente el 90% del
manganeso total soluble, se nota que el proceso de remoción de manganeso soluble dentro de la
planta es ineficiente y no se está llevando a cabo de manera adecuada, pues tan sólo logra
disminuir de 0,072 mg/L a 0,0369 mg/L de Mn
2+
.
La turbiedad y el color aparente son parámetros asociados con altos niveles de partículas de
manganeso insolubles formadas por medio de la oxidación del manganeso Mn
2+
, ya sea química o
biológica, partículas que son responsables de los eventos de coloración del agua. El mayor reto es
controlar o prevenir los eventos de coloración de agua ocasionados por la oxidación de metales,
principalmente el manganeso, dentro de las tuberías, generando depósitos que se adhieren a las
paredes y posteriormente se desprenden, causando así la coloración del agua. Concentraciones
mayores a 0,02 mg/L de Mn
2+
promueven la depositación de los mismos (Sly, et al., 1990).
Las tuberías de 60” y 72” corresponden a tubos de gran diámetro, que al transportar un caudal
inferior a 6 m
3
/s, significa que la altura del nivel de la película de agua es muy baja, lo que genera
una velocidad baja del agua y unas condiciones propicias para que los óxidos formados se
depositen en las paredes de las conducciones, ya sea por sedimentación o por fuerzas dinámicas.
La resuspención de las partículas depositadas en las paredes de las conducciones genera una alta
turbiedad en el agua y, por lo tanto, la coloración de la misma, tomando ésta un color entre
rojo,café y negro, que genera problemas de orden estético e inconformidad de los usuarios con el
sistema. Los eventos de coloración de agua potable en Bogotá se han visto evidenciados en
múltiples ocasiones, observándose que
todos fueron ocasionados por cambios en la operación
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que afectan la hidráulica en las tuberías de las líneas Tibitoc-Usaquén o Tibitoc-Casablanca, los
cuales generan la resuspención de las partículas al interior de la conducción.
En marzo del año 2008, se presentó un evento de coloración de agua, en el cual, según el estudio
realizado por el grupo de investigación CIACUA de la Universidad de Los Andes, se observó que
estuvo relacionado estricta y proporcionalmente con la turbiedad y la cantidad de manganeso
total en las tuberías evaluadas.
El estudio se realizó fijando puntos de evaluación llamados pilas, a través de la tubería saliente de
la planta de Tibitoc hacia la ciudad de Bogotá. En tales puntos, se tomaron medidas de turbiedad y
concentración de manganeso total. En la pila denominada Villa del Prado, situada en la calle 170
con Autopista Norte, se evidenció una gran cantidad de manganeso total con una concentración
de 0,0744 mg/L, lo cual equivale a 80% en exceso en comparación a la concentración entrante a la
red anteriormente dicha. Esto demuestra que el manganeso está reaccionando químicamente con
el cloro residual en los primeros kilómetros de la tubería, convirtiéndose en manganeso insoluble
en agua MnO
2
.
Durante los años 2005, 2006 y 2007, el manganeso total disminuye a medida que la distancia
desde la planta aumenta, a diferencia del año 2008, donde su efecto es contrario: la concentración
de manganeso total aumenta a medida que la distancia aumenta. Por lo dicho anteriormente, se
evidencia la causa del evento de coloración, pues durante los años anteriores el manganeso había
estado depositándose, almacenándose dentro de la tubería, y en el 2008 una parte de dichos
depósitos fue resuspendida en el agua, saliendo así una mayor cantidad de manganeso total del
que estaba entrando en la red de distribución de agua potable.
El caudal que constantemente sale de la planta de Tibitoc hacia la red de distribución de agua
potable genera una cargade 5 toneladas métricas al año de manganeso total a las tuberías que
transportan únicamente agua proveniente de Tibitoc (CIACUA (Centro de Investigación de
Acueductos y Alcantarillados), 2009). Dicha carga es muy grande y, teniendo en cuenta que el
manganeso soluble corresponde al 90% del manganeso total, una concentración de 4,5 toneladas
al año se expone a procesos químicos, biológicos y mecánicos a lo largo de la red, y se almacena
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como óxido de manganeso al interior de la conducción donde, tiempo después, se desprende por
medio de diferentes mecanismos causados por cambios hidráulicos dentro de los tubos, causando
así los infalibles eventos de coloración de agua.
En el mes de mayo del año 2012, se produjo el rompimiento de una de las líneas principales de la
red de distribución de agua potable de la ciudad de Bogotá: la línea de 60” en la Calle 134 con
Carrera 9, la cual proviene directamente de la planta de Tibitoc. Se cree que la principal causa de
la ruptura fue la acumulación de depósitos minerales compuestos en su mayoría por óxidos de
manganeso, los cuales corroyeron la conducción al punto de generar el deterioro definitivo del
segmento de tubo.
10.2 Tegucigalpa, Honduras
El acueducto responsable de suministrar la mayor cantidad de agua a la población de Tegucigalpa
es “La Concepción”. El prestador del servicio es responsable de proveer de agua potable al 60% de
la población, lo cual equivale aproximadamente a 900.000 personas. Su red de distribución tiene
aproximadamente 7,5 km de longitud, los cuales son responsables de transportar 1200 L/s, que
corresponden a la capacidad máxima de producción de la planta de Drégmont (Cerrato, 2005).
La planta de tratamiento fue puesta en marcha a principios de los años 90, siendo su vida de
operación hasta la fecha de
22 años. Hace aproximadamente 15 años, desde 1998, se han venido
reportando innumerables quejas por parte de los consumidores por eventos de coloración de agua
(Cerrato, et al., 2006).
Inicialmente, en 1993, la planta tenía una unidad de oxidación química para la solidificación del
manganeso soluble, pues éste se encuentra en grandes cantidades en el agua cruda captada: entre
0,2 a 1,53 mg/L (Cerrato, 2005). La oxidación se llevaba a cabo con permanganato de potasio
(KmnO
4
), caracterizado por tener grandes capacidades oxidativas; sin embargo, no se estaba
cumpliendo el tiempo requerido mínimo de contacto, de 4 horas, (Cerrato, et al., 2006) antes de
que el agua fuera sometida al proceso de filtración. Por dicho motivo, el manganeso soluble tanto
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como el permanganato de potasio se estaban filtrando a la red de distribución, generando así la
oxidación al interior de la misma, donde posteriormente se adhieren los depósitos de óxidos de
manganeso en las paredes al interior de la conducción. A manera de solución, se decide suspender
la adición del químico y dejar como tratamiento de remoción del manganeso soluble únicamente
la aireación natural.
Como se ha mencionado a lo largo del documento, la aireación natural no es suficiente para
remover el manganeso soluble, pues es una reacción sumamente lenta, por lo cual en la ciudad se
siguieron presentando quejas de inconformidad por parte de los usuarios al recibir el agua de
color café por sus grifos.
La red de Tegucigalpa, La Concepción, está compuesta por tubería de dos materiales: 79% de las
líneas principales son de PVC, que tienen aproximadamente una antigüedad de 21 años, y 14% de
hierro galvanizado, con una antigüedad de 36 años (Cerrato, et al., 2006) (Cerrato, 2005). La
mayoría de las quejas eran reportadas por casas que se encuentran en los sectores donde
prevalece la tubería de PVC, siguiendo la teoría ya expuesta en el Capítulo 8.
Dado que la mayoría de la red matriz de la ciudad es de PVC y que los depósitos tienen una mayor
tendencia a desprenderse de las paredes de los tubos de dicho material, Tegucigalpa tiene un
problema serio en cuestión de coloración del agua, el cual debe resolverse, en primera instancia,
con una buena unidad de remoción del elemento del agua cruda en la planta, que trabaje de
manera eficiente removiendo un gran porcentaje del mismo.
10.3 Costa Dorada, Australia
Australia se caracteriza por ser uno de los principales países con mayores problemas a causa del
hierro y el manganeso en sus redes de distribución de agua potable, que ocasionan eventos de
coloración del agua tratada en las diferentes plantas de potabilización de ciudades como Victoria,
Sídney, Costa Dorada, entre otras (Waite, 1990). Sin embargo, el mayor problema es
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proporcionado por el manganeso, pues su tasa de oxidación es mucho más lenta que la del hierro
e imposible de realizar por medio de aireación natural, pues duraría varios días en ocurrir
(Debordea & von Gunten, 2008).
En Australia se utiliza principalmente el método de remoción de los elementos por medio de la
oxidación química para oxidar el hierro y el manganeso lo más rápido posible, seguido de procesos
de precipitación y filtración. Sin embargo, en el caso específico de Costa Dorada, el proceso de
oxidación del manganeso podría estar funcionando de manera inadecuada, dado que se presentan
periódicamente eventos de coloración del agua potable dentro de las redes de distribución,
causados por el desprendimiento de los depósitos de óxidos de manganeso adheridos a las
paredes de las tuberías.
Costa Dorada es una ciudad costera turística, perteneciente al estado de Queensland, y ubicada a
100 kilómetros de Brisbrain (Sly, et al., 1990). Es una de las ciudades más importantes de Australia,
con una población cercana a los 500.000 habitantes. Como se dijo antes, dicha ciudad es una de
las que más enfrenta problemas en su sistema de distribución de agua potable por los eventos de
coloración del agua, lo que trae consigo el descontento de los usuarios, por lo cual se han
realizado varios estudios sobre el tema.
La principal planta de tratamiento de Costa Dorada es la planta de tratamiento de agua potable de
Molendinar, la cual recibe el agua a tratar de la presa de Hinze. El agua tratada, tras entrar a la red
de distribución de agua potable de la ciudad, hace que se produzcan eventos esporádicos de
coloración de agua relacionados directamente con la presencia de niveles elevados de manganeso,
aunque se esté cumpliendo la norma de niveles de manganeso soluble: por debajo de 0,1 mg/L.
La planta fue puesta en marcha en 1983 y trata 1,16 L/s de agua cruda. EL proceso de tratamiento
del agua se hace por medio de coagulación, sedimentación, filtración con arena y por último la
desinfección con cloro y dióxido de cloro. Para la remoción del manganeso, proceso anterior al
filtrado, se utiliza dióxido de cloro, el cual se considera un buen agente oxidante, aunque no el
mejor.
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Los eventos de coloración de agua se evidencian a través de las quejas por parte de los usuarios,
expresando su inconformismo con la prestación del servicio durante los meses de verano, entre
diciembre y marzo. Un grupo de investigación de la Universidad de Queensland, comandado por el
profesor Sly, experto en el tema y dedicado a su investigación, realizó un estudio en donde se
hacían mediciones in situ en cuatro estaciones ubicadas en diferentes posiciones a lo largo de la
red de distribución. Se obtuvieron mediciones de la cantidad de manganeso total y soluble, hierro
total y soluble, cloro residual, pH, temperatura, entre otros, en cada estación. La velocidad de flujo
se estableció por medio de válvulas de 0,5 m/s y una presión de 350 Kpa.
Los eventos de coloración de agua se dieron a conocer por una cantidad elevada de quejas. El
primer gran evento se presentó en el periodo de diciembre a enero del año 1986, período en el
cual no se tenían registros de las concentraciones de manganeso en la planta. Justo después del
evento, se empezaron a monitorear los niveles del elemento entrante y saliente de la planta. El
segundo gran evento se produjo en marzo de 1986, cuando se pudieron medir concentraciones
entre 0,15 mg/L y 2 mg/L de manganeso entrante a la planta (Sly, et al., 1990), niveles tan
elevados que la oxidación con dióxido de cloro fue insuficiente. Por consiguiente, una cantidad
significativa del elemento en su estado soluble entra al sistema y, por medio de reacciones
químicas y biológicas, se producen óxidos de manganeso insolubles, los cuales son los
responsables de darle color al agua.
Los niveles promedio de manganeso a la entrada de la planta durante el resto del año estuvieron
comprendidos entre 0,01 y 0,02 mg/L; sin embargo, continuaron existiendo eventos de coloración
en el periodo de diciembre-marzo de los años 1986 -1987 (Sly, et al., 1990). Debido a las bajas
concentraciones registradas en el afluente de la planta, se deducía que el problema no existiría en
dicho periodo; sin embargo, la suspensión de los depósitos de manganeso formados con
antelación y adheridos a las tuberías de la red eran causantes del fenómeno.
Los análisis realizados al material particulado hallado en el agua durante el estudio, arrojaron
como resultado que los principales metales que lo componían eran el manganeso, hierro, calcio,
aluminio y sílica; el manganeso correspondía al 2%-8% del total de la composición del depósito
(Sly, et al., 1990). Sin embargo, la proporción de manganeso encontrado dentro del material
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particulado aumenta a medida que crece la distancia respecto al punto de salida del agua de la
planta.
Se extraen piezas de depósitos de óxidos adheridos a las tuberías de color café oscuro, los cuales,
además de contener grandes cantidades de diferentes óxidos, entre ellos hierro y manganeso en
su mayoría, contienen microorganismos bacterianos en las zonas donde hay niveles muy bajos de
desinfectante residual.
A manera de conclusión, en la red de distribución de agua potable de Costa Dorada, según Sly, a
un nivel de 0,05 mg/L de manganeso soluble, la depositación de manganeso oxidado
químicamente se beneficia cuando entra una concentración de 0,5 mg/L de cloro residual al
sistema; sin embargo, la adición de 0,2 a 0,4 mg/L de dióxido de cloro disminuye hasta en un 70%
la depositación de los óxidos de manganeso. Por otro lado, a un nivel de 0,01 mg/L de manganeso
soluble bajo cualquier nivel de cloración, la tasa de depositación es muy baja. La tasa de
depositación de óxidos de manganeso es ochenta veces más elevada cuando entra una
concentración de 0,05 mg/L de manganeso soluble que cuando entra 0,01 mg/L de manganeso
soluble a la red de distribución de agua potable.
La depositación con una concentración establecida de 0,05 mg/L de manganeso soluble y de 0,5
mg/L de cloro residual
es, debido a la oxidación química, ochenta veces mayor que la depositación
causada por la oxidación biológica del manganeso de la misma concentración en un medio sin
desinfectante residual (Sly, et al., 1990).
Aunque las normas de calidad de agua potable establezcan niveles mínimos de 0,05 mg/L de
manganeso para garantizar la calidad y las condiciones estéticas del agua, el estudio demuestra
que si el agua excede por más de dos días concentraciones mayores a 0,02 mg/L, se pueden
empezar a producir eventos de coloración de agua y, por lo tanto, quejas de los usuarios (Sly, et
al., 1990).
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10.4 Aproximación a los casos de Tibitoc y La Concepción
La ciudad de Bogotá tiene problemas de formación y desprendimiento de óxidos de manganeso en
la red de distribución de agua potable, únicamente por el agua dotada por la planta de
tratamiento de agua potable de Tibitoc. Como se mencionó en el Numeral 10.1, el manganeso se
oxida en los primeros kilómetros de la línea de salida del taque de almacenamiento, pero el lugar
exacto donde estos se depositan es incierto. La tasa de oxidación en las conducciones que
transportan el agua proveniente de Tibitoc es muy alta, dado que la planta trabaja con una
concentración de cloro residual elevada, el agua captada del río Bogotá contiene altos niveles de
manganeso y la planta no es eficiente en términos de remoción del mismo.
Como se describió en la cinética de la reacción química en el Capítulo 4, entre mayor sea la
relación molar entre el cloro y el manganeso a la salida de la planta hacia la red matriz, la reacción
de oxidación se da más rápido.
La razón por la cual se utiliza una concentración de cloro residual elevado de 1,38 mg/L a la salida
de la planta es debido a la gran extensión de la red de distribución de la ciudad, pues se debe
garantizar una concentración mínima reglamentada, que en Colombia se encuentra entre 0,3 y 2
mg/L (República de Colombia, 2007) del desinfectante a lo largo de toda la red, para evitar el
crecimiento de microorganismos y, por consiguiente, de biopelículas en las superficies de las
conducciones.
Por otro lado, “La Concepción” de Tegucigalpa es la planta más importante en abastecimiento de
agua potable de la ciudad capital de Honduras, supliendo aproximadamente a 900.000 habitantes
de la ciudad. Debido a su menor longitud desde la salida del reservorio hasta el último usuario en
comparación con la red de Bogotá, se utiliza una menor cantidad de cloro residual, equivalente a
1,250 mg/L. Sin embargo, la concentración de manganeso que ingresa a la planta e incluso que
sale de ella es mucho más elevada que la de Tibitoc, con un valor de 0,254 mg/L de Mg
2+
. Por
esto, la relación molar que maneja el agua potabilizada de La Concepción es menor y se puede
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intuir que el manganeso se oxida más lentamente dentro de la conducción que la del agua
proveniente de Tibitoc en la red matriz bogotana.
A continuación, en la tabla 1, se muestra el cálculo de la relación molar Cl
2
/Mn a la salida de cada
una de las plantas a comparar.
Tabla 1. Comparación de relaciones molares de las plantas de Tibitoc y La concepción.
La cantidad de manganeso soluble es casi siete veces mayor a la salida de la planta de La
Concepción en comparación con la planta de Tibitoc (0,254 mg/L y 0,0369 mg/L, respectivamente),
con una cantidad de cloro residual muy parecida.
Se podría afirmar, según la información que se ha presentado en este documento, que a pesar de
que el agua captada del río Bogotá para ser tratada en la planta de tratamiento de Tibitoc, una de
las principales plantas de la ciudad, tenga niveles un poco elevados de manganeso soluble, la
planta no está trabajando de manera eficiente ya que está removiendo un porcentaje muy bajo:
47%.
Dicha ineficiencia seguramente se debe a la falta de tiempo para que el agente oxidante
KmnO
4
lleve a cabo su propósito y reaccione completamente con el manganeso soluble para
convertirlo en manganeso insoluble, que posteriormente se remueva en otros procesos. Al
permitir el ingreso del manganeso soluble a la red de distribución, éste se va a oxidar muy
rápidamente, en cuestión de segundos, entre los primeros 500 y 1000 metros de la línea de salida
de la planta de Tibitoc, y continua el viaje a través del agua hasta alcanzar el estado de reposo.
La estimación del cálculo del tiempo de oxidación del manganeso a la salida de la planta de Tibitoc
en la tubería de 78” por medio del cinética propuesta por el profesor Hao, es muy ambigua, pues
Planta
Moles de cloro residual
Moles de manganeso soluble
Relación molar (Cl2/Mn)
Tibitoc-Bogotá
1,94624E-05
6,71666E-07
28,97627662
La concepción-Tegucigalpa
1,7629E-05
4,62339E-06
3,812994291
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no se está teniendo en cuenta la reacción compleja que hay con el permanganato de potasio que
seguramente se está filtrando también a la red, ni el consumo del cloro por la reacción de estos
con los microorganismos y materia orgánica. Sin embargo, debido a la gran cantidad de óxidos que
se alcanzan a producir y a viajar a través de la red por medio del agua potable, éstos sufren
efectos de la gravedad que los obligan a sedimentarse, formando camas de óxidos en la parte
inferior de la tubería, o efectos de fuerzas eléctricas que producen la adherencia de los mismos a
lo largo de toda la circunferencia de la conducción, generando una problemática que no se está
previniendo aún en las ciudades capitales de Colombia y Honduras, así como en muchas otras
ciudades del mundo.
Se debe mejorar el proceso de oxidación con permanganato de potasio actualmente utilizado en la
planta de Tibitoc, ya que, a pesar de ser un excelente agente oxidante, se tiene que diseñar el
proceso de manera adecuada para que los tiempos de retención se cumplan y sea un sistema
eficiente. Por otro lado, el cloro residual no se puede disminuir, ya que es una prioridad evitar los
microorganismos y biopelículas que se puedan generar por la falta del mismo.
Por otra parte, en La Concepción, el sistema de remoción del manganeso soluble con
permanganato de potasio se eliminó por la ineficiencia del mismo, debido a la producción de
reacciones incompletas que se creía que afectaban negativamente y contribuían de manera más
agresiva a los eventos de coloración de agua potable. Sin embargo, el problema no ha cesado y se
deben implementar nuevas soluciones, puesto que la oxidación al ambiente es aún más lenta e
insuficiente que la del permanganato de potasio anteriormente utilizado. Debido a la elevada
concentración de manganeso soluble que se encuentra en el agua captada para tratar, sumada al
procedimiento inútil que se maneja para la remoción del mismo dentro de la planta, la red matriz
de Tegucigalpa tiene un gran problema que aún no logran resolver ni manejar de manera
preventiva para evitar que el agua “colorada” llegue a los usuarios y genere inconformismos con el
sistema.
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11 Conclusiones
El manganeso es un metal que se encuentra naturalmente en la corteza terrestre de
manera abundante, por lo cual resulta diluido en las distintas fuentes de agua. La
concentración de manganeso en su forma soluble en el agua depende de las condiciones y
características geotécnicas de la región donde se encuentra el cuerpo de agua, la época
del año o las estaciones también influyen (en verano los niveles son mucho más elevados).
Las plantas de tratamiento de potabilización deben incluir un proceso químico de
oxidación para remover el elemento, aunque éstos resultan siendo lentos e ineficientes
por lo que el manganeso soluble se filtra a las redes de distribución de agua potable. Los
óxidos de manganeso dentro de las redes de distribución de agua potable se forman
debido a la oxidación tanto química (en reacción con el desinfectante) como biológica
(causada por bacterias capaces de oxidar el elemento) del Mn
2+
transformándose en
MnO
2
.
La reacción de oxidación del manganeso soluble es una reacción lenta de primer orden.
Sin embargo, a medida que pasa el tiempo la producción de óxido se acelera dado que los
óxidos ya generados reaccionan alternamente con el agua y el manganeso libre,
produciendo así mismo dos moléculas de óxidos de manganeso. Por otro lado, la oxidación
del manganeso por medio de bacterias presenta una cinética de pseudo-primer orden. Las
bacterias empiezan la actividad oxidativa dentro de la red, más exactamente en la capa
laminar viscosa entre la pared de la conducción y el flujo de agua donde se forman las
biopelículas, oxidando el manganeso soluble presente en el agua a partir de reacciones
extracelulares en condiciones pobres de desinfectante y a un pH mayor a 7 que resulta
adecuado para que las bacterias sean capaces de sobrevivir. Al igual que la reacción de
oxidación química, en la biológica también se genera una producción lenta en un principio
que después se acelera. La oxidación por medio de reacciones físico-químicas es
considerablemente más rápida que la reacción biológica.
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La formación de depósitos compuestos de óxidos de manganeso y su posterior
desprendimiento varía de acuerdo con las propiedades del agua captada en la planta, la
época del año, las condiciones hidráulicas de flujo dentro del sistema, la temperatura, el
pH, el diámetro del tubo, así como también al material y la edad de la tubería. Las
tuberías de PVC presentan un mayor índice de desprendimiento y por ende de coloración
de agua que las de hierro, pues en el caso de las últimas, las partículas de los óxidos se
unen a las paredes con una fuerza más potente debido a los enlaces de electrones que se
forman entre los dos materiales.
Las partículas de óxidos de manganeso se empiezan a unir entre sí viajando por advección
con el fluido a lo largo de la tubería, hasta alcanzar las vecindades de las paredes del tubo,
donde viajan por difusión hasta conseguir el reposo y convertirse en depósitos formados
en las paredes internas de la conducción, donde se adhieren a las superficies por medio de
los mecanismos de sedimentación y fuerzas dinámicas.
Bajo condiciones de flujo estático o considerablemente lento, generalmente en tuberías
de diámetros grandes donde transita un caudal de agua bajo, prevalece la formación de
depósitos de óxidos de manganeso por medio de efectos de la sedimentación. Este tipo de
depósitos se ubican en la parte inferior de la conducción, formando una cama de
sedimentos. El principio y fuerza motora que hace que las partículas se sedimenten es la
fuerza de gravedad ejercida sobre las mismas.
Por otro lado, bajo condiciones de flujo turbulento, prevalece la formación de depósitos
de óxidos de manganeso por medio de fuerzas dinámicas las cuales se constituyen por
medio de fuerzas de Van der Waals y fuerzas electrostáticas. La depositación de óxidos a
partir de fuerzas dinámicas ocurre alrededor de toda la circunferencia interna de las
tuberías. El fenómeno de adhesión entre dos cuerpos debido a fuerzas de Van der Waals
se da por la atracción mutua que existe entre las moléculas a una distancia determinada;
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lo que produce el movimiento de las partículas de óxidos hacia la superficie. Dichas
interacciones se determinan por las propiedades de la superficie del tubo y de la molécula.
Por otra parte, las partículas de óxidos de manganeso y la superficie del material de la
tubería se atraen por medio de una fuerza electrostática, debido a las cargas opuestas que
manejan los dos materiales. Sin embargo, las fuerzas de Van der Waals son más fuertes
que las electrostáticas y dominan las interacciones en las tuberías.
Las películas de óxidos de manganeso son expuestas a ciertas acciones mecánicas, lo cual
hace que los depósitos se desprendan o se resuspendan de las paredes de las tuberías. Los
mecanismos son: abrasión, erosión, desprendimiento en masa y depredación. La erosión y
el desprendimiento en masa se consideran los dos mecanismos de mayor relevancia en
cuanto a la remoción de los depósitos minerales.
La abrasión y la erosión son mecanismos que logran frenar el aumento de volumen de los
depósitos y les disminuyen rugosidad, pues generan el desprendimiento fraccionado de
partículas más superficiales que conforman la matriz. Por otro lado, el desprendimiento en
masa ocurre cuando hay pérdida repentina e intermitente de una porción grande de la
película mineral, que logra modificar drásticamente su estructura y por ende su
estabilidad. Por último, el término depredación se utiliza cuando hay presencia de
microorganismos bacterianos en la película que son capaces de reducir el MnO
2
a Mn
2+
.
El fenómeno de coloración de agua potable se genera a partir de un desprendimiento
inesperado de partículas de depósitos minerales de manganeso y hierro adheridos a las
paredes de las tuberías. Este es uno de los principales problemas sin solución preventiva
que tienen la mayoría de acueductos a nivel mundial y que, a pesar de que se han
invertido muchos esfuerzos en el tema, no se ha llegado a resultados concretos en la
modelación del comportamiento de los óxidos dentro de las redes. Las partículas de
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óxidos transmiten al agua un aspecto turbio de color café-rojizo que genera inconformidad
en los consumidores de agua, y sólo es posible mitigarlo cuando el evento ya ha ocurrido.
Los depósitos minerales además de desatar eventos de coloración de agua, generan una
disminución de diámetro en las tuberías causando problemas hidráulicos. Por los dos
motivos dichos, se realizan lavados hidráulicos en las redes de distribución de agua
potable periódicamente. Los lavados tienen como función aumentar el esfuerzo cortante
por medio del incremento repentino de la velocidad del flujo de agua, lo cual que induce
el desprendimiento de los depósitos adheridos a las paredes internas de las conducciones,
generando así la remoción de los mismos. Existen lavados hidráulicos convencionales los
cuales se usan como medida correctiva en respuesta a las quejas de los usuarios y
recuperar la calidad del agua de manera instantánea pero momentánea y los lavados
hidráulicos unidireccionales que son medidas preventivas que requieren planeación
previa.
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