Efecto de la Velocidad de Flujo Sobre el Crecimiento y Desprendimiento de Biopelículas

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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

EFECTO DE LA VELOCIDAD DE FLUJO SOBRE EL CRECIMIENTO Y DESPRENDIMIENTO DE BIOPELÍCULAS

ALIMENTADAS CON CODB MEDIANTE PASTOS EN REDES DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE

PROYECTO DE GRADO

PRESENTADO POR:

LAURA TAMAYO MORALES

ASESOR :

JUAN GUILLERMO SALDARRIAGA

BOGOTÁ, D. C, 11 de Junio de 2013

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Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA
Efecto de la velocidad de flujo sobre el crecimiento y desprendimiento de biopelículas
alimentadas con CODB mediante pastos en redes de distribución de agua potable

Laura Tamayo

Proyecto de grado

AGRADECIMIENTOS

A Dios por darme la perseverancia para no renunciar, la fuerza para luchar cada día  y por llenarme de
bendiciones.

A  mis  padres  Cecilia  Morales  y  Hugo  Tamayo,  por  creer  en  mi,  por    enseñarme  todo  lo  que  se  y  por
brindarme todas las facilidades para triunfar en la vida.  A mi hermana Maria Paula por estar siempre a
mi lado, por perdonar mis errores, y por estar conmigo en las buenas y malas.

A Juan Saldarriaga por todo su apoyo, enseñanzas, chistes, paciencia y su dirección para completar mi
proyecto de grado.

A  Jhon  Calvo  siempre  le  voy  a  estar  agradecida  por  las  tardes  de  risas  y  trabajo,  por  su  apoyo
incondicional, por su paciencia y toda su ayuda

A Alejandro por su cariño y por siempre creer en mí, aun cuando yo no lo hice.

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Laura Tamayo

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TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................. 1

1.1.

Objetivos ....................................................................................................................................... 2

1.1.1.

Objetivo general ........................................................................................................................ 2

1.1.2.

Objetivos específicos................................................................................................................. 2

ANTECEDENTES ................................................................................................................................. 4

MARCO TEÓRICO .............................................................................................................................. 6

3.1.

Definición de biopelícula ............................................................................................................... 6

3.1.1.

Características de las biopelículas ............................................................................................. 6

3.2.

Desarrollo de la biopelícula........................................................................................................... 7

3.2.1.

Formación de la biopelícula ...................................................................................................... 7

3.2.2.

Adherencia a la superficie ......................................................................................................... 7

3.2.3.

Colonización y desarrollo .......................................................................................................... 7

3.2.4.

Comunidad Madura .................................................................................................................. 8

3.3.

Las biopelículas en las redes de distribución de agua potable ................................................... 10

3.3.1.

Crecimiento de microorganismos en las redes de distribución de agua potable ................... 10

3.3.2.

Microorganismos que conforman la biopelícula .................................................................... 10

3.3.3.

Factores que afectan o limitan el crecimiento y desarrollo de las biopelículas ..................... 11

3.3.4.

Nutrientes ............................................................................................................................... 11

3.3.5.

Otros factores limitantes del desarrollo de la biopelícula ...................................................... 13

3.4.

Condiciones hidráulicas del flujo de agua ................................................................................... 14

3.5.

Parámetros de control de crecimiento de las biopelículas ......................................................... 19

3.6.

Desprendimiento de la biopelícula ............................................................................................. 20

DESCRIPCIÓN DEL MODELO ................................................................................................................ 22

4.1.

Planta física ................................................................................................................................. 22

4.1.1.

Tuberías de PVC ...................................................................................................................... 23

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iii

4.1.2.

Válvulas de control .................................................................................................................. 24

4.1.3.

Tanque elevado ....................................................................................................................... 25

4.1.4.

Sistema de recirculación ......................................................................................................... 25

4.1.5.

Motobomba ............................................................................................................................ 26

4.1.6.

Tablero piezométrico .............................................................................................................. 26

4.1.7.

Vertederos .............................................................................................................................. 27

4.1.8.

Testigos ................................................................................................................................... 29

4.1.8.1.

Testigos de borde ................................................................................................................ 29

4.1.8.2.

Testigos de Centro .............................................................................................................. 30

4.1.9.

Tubería de vidrio ..................................................................................................................... 30

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ..................................................................................................... 32

5.1.

Fuente de Carbono ..................................................................................................................... 32

5.2.

Aproximación Operacional.......................................................................................................... 33

5.2.1.

Cloro Residual ......................................................................................................................... 34

5.2.2.

Control cuantitativo a la formación y el desarrollo de biopelículas. ...................................... 35

5.3.

Aspectos microbiológicos de las biopelículas ............................................................................. 35

5.4.

Análisis cualitativo ...................................................................................................................... 36

5.5.

Análisis cuantitativo .................................................................................................................... 36

5.5.1.

Medición de Testigos .............................................................................................................. 36

5.5.2.

Cálculo del espesor de las biopelículas ................................................................................... 38

5.5.3.

Cálculo de la velocidad de crecimiento de biopelículas ......................................................... 39

5.6.

Cuantificación por Método de Escobillón ................................................................................... 40

5.7.

Determinación de pérdidas por fricción en las tuberías ............................................................. 40

5.8.

Medidas fisicoquímicas ............................................................................................................... 42

5.9.

Control Cualitativo a la formación y el desarrollo de biopelículas. ............................................ 43

5.10.

Comparación con trabajos anteriores..................................................................................... 43

RESULTADOS ................................................................................................................................... 44

6.1.

Análisis cuantitativo .................................................................................................................... 44

6.1.1.

Pruebas físico-químicas ........................................................................................................... 44

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6.1.2.

Pruebas microbiológicas: Conteo de Unidades Formadoras de Colonias .............................. 45

6.1.3.

Testigos de Borde .................................................................................................................... 47

6.1.4.

Testigos de Centro .................................................................................................................. 51

6.1.5.

Relación entre el espesor de la subcapa laminar viscosa, el espesor de la biopelícula y la

rugosidad relativa ................................................................................................................................... 55

6.1.6.

Efectos de la biopelícula en las pérdidas por fricción dentro de las tuberías......................... 59

6.1.6.1.

Diagrama de Moody ............................................................................................................ 59

6.1.6.2.

Efecto de la disminución de sustrato en el factor de fricción ............................................. 62

6.2.

Análisis cualitativo ...................................................................................................................... 66

6.3.

Análisis comparativo con estudios anteriores ............................................................................ 69

6.3.1.

Conteo de Unidades formadoras de Colonia .......................................................................... 70

6.3.2.

Comparación de la rugosidad absoluta, los espesores de la biopelícula y la subcapa laminar

en cada tubería ....................................................................................................................................... 71

6.3.3.

Comparación de espesores de testigos de centro .................................................................. 74

6.3.4.

Comparación de los efectos de la biopelículas en las perdidas por fricción en los trabajos de

Trujillo (2011), Vargas (2012) y Tamayo (2013) ...................................................................................... 76

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .......................................................................................... 79

BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................................... 80

ANEXOS ........................................................................................................................................... 83

9.1.

ANEXO CÁLCULOS HIDRÁULICOS DE LAS TUBERÍAS CON PRESENCIA DE BIOPELÍCULAS ........... 83

9.2.

ANEXO BASE DE DATOS SEMANAL, MEDICIONES: ...................................................................... 88

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ÍNDICE

ILUSTRACIONES

Ilustración 1 Proceso de formación de biopelículas. Tomada de :
http://dspace.usc.es/bitstream/10347/2852/1/9788498874501_content.pdf .......................................... 9
Ilustración 2 Capa límite. Tomado de:
http://www.oni.escuelas.edu.ar/2008/BUENOS_AIRES/1315/pq2.html ................................................... 16
Ilustración 3 Flujo turbulento, interacción con pared sólida. Tomado de:
http://ocwus.us.es/arquitectura-e-ingenieria/operaciones-basicas/contenidos1/tema3/pagina_11.htm
.................................................................................................................................................................... 16
Ilustración 4 Diagrama de Moody tomada de: http://metodosnumericosunalmzl.wikispaces.com ......... 19
Ilustración 5 Vista en planta del modelo experimental .............................................................................. 23
Ilustración 6 Vista de perfil del modelo experimental. ............................................................................... 23

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ÍNDICE

TABLAS

Tabla 1 Ecuación de caudal por vertedero. ................................................................................................ 28
Tabla 2 Fórmulas espesor de biopelículas según tipo de testigo. .............................................................. 39
Tabla 3 Espesor y velocidad de crecimiento de la biopelícula formada en la tubería con velocidad de
1m/s. ........................................................................................................................................................... 47
Tabla 4 Espesor y velocidad de crecimiento de biopelícula formada en tubería con velocidad de 3 m/s.48
Tabla 5 Espesor y velocidad de crecimiento de biopelícula formada en la tubería con velocidad de 2 m/s.
.................................................................................................................................................................... 49
Tabla 6 Comportamiento de la biopelícula en testigos de centro para la tubería 1 (velocidad de flujo 1
m/s). ............................................................................................................................................................ 52
Tabla 7 Comportamiento de la biopelícula en testigos de centro para la tubería 2 (velocidad de flujo
3m/s). .......................................................................................................................................................... 53
Tabla 8 Comportamiento de la biopelícula en testigos de centro de la tubería 3 (velocidad de flujo 2m/s).
.................................................................................................................................................................... 54
Tabla 9 Registro fotográfico tuberías de vidrio. ......................................................................................... 66
Tabla 10 Parámetros relevantes para el cálculo hidráulico. ....................................................................... 83
Tabla 11 Cambio de la viscosidad y densidad del agua con la temperatura. ............................................. 84
Tabla 12 Datos registrados de temperatura por medición. ........................................................................ 84
Tabla 13 Resultados de viscosidad, densidad y viscosidad cinemática para ejemplo. ............................... 86

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vii

ÍNDICE DE GRÁFICAS

Gráfica 1 Cloro residual en el sistema de recirculación. ............................................................................. 45
Gráfica 2 pH residual en el sistema de recirculación .................................................................................. 45
Gráfica 3 Recuento en placa para análisis de mesófilos. ............................................................................ 46
Gráfica 4 Espesor de biopelículas formadas en el montaje ........................................................................ 50
Gráfica 5 Velocidad de crecimiento del espesor de la biopelícula en cada tubería. .................................. 51
Gráfica 6 Espesor de biopelículas desarrolladas en los testigos de centro. ............................................... 55
Gráfica 7 Relación entre el espesor de la biopelícula, la subcapa laminar viscosa y la rugosidad relativa de
la tubería 1. ................................................................................................................................................. 56
Gráfica 8 Relación entre el espesor de la biopelícula, la subcapa laminar viscosa y la rugosidad relativa de
la tubería 2. ................................................................................................................................................. 57
Gráfica 9 Relación entre el espesor de la biopelícula, la subcapa laminar viscosa y la rugosidad relativa de
la tubería 3. ................................................................................................................................................. 58
Gráfica 10 Relación entre la rugosidad de la tubería y el Número de Reynolds en las tres tuberías. ........ 58
Gráfica 11 Diagrama de Moody para la tubería con velocidad de 1 m/s. .................................................. 60
Gráfica 12 Diagrama de Moody para la tubería con velocidad de 3 m/s. .................................................. 61
Gráfica 13 Diagrama de Moody para la tubería con velocidad de 2 m/s. .................................................. 62
Gráfica 14 Relación del factor de fricción y el número de Reynolds en los días 475 y 482 en la tubería 1.
.................................................................................................................................................................... 63
Gráfica 15 Relación del factor de fricción y el número de Reynolds en los días 475 y 482 en la tubería 2.
.................................................................................................................................................................... 63
Gráfica 16 Relación del factor de fricción y el número de Reynolds en los días 475 y 482 en la tubería 3 64
Gráfica 17 Recuento en placa para análisis de mesófilos. .......................................................................... 70
Gráfica 18 Continuación datos de Trujillo y Vargas del espesor promedio, rugosidad y espesor de la
subcapa laminar testigos de centro de la tubería 1. ................................................................................... 71
Gráfica 19 Continuación datos de Trujillo y Vargas del espesor promedio, rugosidad y espesor de la
subcapa laminar testigos de centro de la tubería 2. ................................................................................... 72
Gráfica 20 Continuación datos de Trujillo y Vargas del espesor promedio, rugosidad y espesor de la
subcapa laminar testigos de centro de la tubería 3. ................................................................................... 73
Gráfica 21 Datos de Trujillo, Vargas y Tamayo de espesor promedio testigos de centro. ......................... 74
Gráfica 22 Datos de Trujillo, Vargas y Tamayo de espesor promedio testigos de borde. .......................... 74
Gráfica 23 Datos de Trujillo, Vargas y Tamayo de velocidad de crecimiento del espesor de la biopelícula
en testigos de borde ................................................................................................................................... 75
Gráfica 24 Diagrama de Moody datos Trujillo, Vargas y Tamayo ( v= 1 m/s). ............................................ 76
Gráfica 25 Diagrama de Moody datos Trujillo, Vargas y Tamayo ( v= 3 m/s). ............................................ 77
Gráfica 26 Diagrama de Moody datos Trujillo, Vargas y Tamayo ( v= 2 m/s). ............................................ 78

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1.  INTRODUCCIÓN
La Organización Mundial de la Salud ha estimado que el 80% de todas las enfermedades que aquejan a
todos  los  países  y  especialmente  a  los    en  desarrollo,  son,  en  su  mayoría,  causadas  por    la  falta  de
abastecimiento de agua salubre y de medios adecuados de saneamiento. Lo anterior se fundamenta en
que la distribución de agua potable se ha convertido en un problema de salud pública en la actualidad,
debido  a  que  las  redes  representan  un  ambiente  óptimo  para  el  desarrollo  de  bacterias  que  pueden
tener efectos adversos a la salud.

Los  problemas  de  salud  causados  por    agua  potable  contaminada  con  microbios  o  bacterias,  se
evidencian  con  los  brotes  de  las  enfermedades  que  se  transmiten  a  través  del  agua.  Se  observa,  con
esto, la magnitud  del daño que tiene este problema, y a pesar de que el proceso de potabilizar el agua
haya disminuido mucho esta problemática, la calidad del agua y la operación de las redes, son todavía
causales de quejas en los usuarios.

Los  problemas  de  calidad  del  agua  son  causados,  principalmente,  por  la  proliferación  de
microorganismos que sobreviven al  proceso de potabilización y que  tomando como sustrato la materia
orgánica que ingresa al medio, logran colonizar y asentarse en las paredes de las tuberías de la red. El
desarrollo  de  los  organismos  dentro  de  una  asociación  de  colonias,  se  conoce  como  biopelículas,  las
cuales  a  su  vez  son  más  resistentes  a  ser  erradicadas  y  serán  el  objeto  de  estudio  en  el  presente
documento.

Las  biopelículas  pueden  almacenar  microorganismos  patógenos,  incluyendo  algunos  procedentes  de
fuentes  fecales  tales  como  Cryptosporidiumparvum,  Campylobactersp.,  rotavirus  y  otros  que  son
capaces de crecer dentro de  los sistemas de distribución de agua, como Legionellasp., micobacterias y
Aeromonassp. Las biopelículas son esenciales para la supervivencia y el crecimiento de microorganismos
higiénicamente  relevantes  en  el  agua  potable,  por  lo  que  el  estudio  de  las  mismas  es  de  vital
importancia para la protección efectiva del recurso, tratamiento del agua y valoración del riesgo (Gea-
Izquierdo Enrique, Loza-Murguía Manuel, 2013).

El  potencial  de  supervivencia  de  los  microorganismos  dentro  de  la  biopelícula  radica  en  que  los
exopolisacáridos insolubles que la componen, escudan a los microorganismos de los desplazamientos y
de  la  penetración  de  organismos  predadores,  antibióticos  y  desinfectantes.  El  problema  para  los
humanos  radica  en  el  desprendimiento  o  separación  de  microorganismos  de  las  biopelículas,  pues
algunos  de  estos  tienen  el  potencial  de  producir    infecciones,  tanto  por  su  ingestión  como  por
aerosolización de los mismos

Además de los efectos en la salud, los estudios han reportado alteraciones en el diseño operacional de
las redes de distribución por la presencia de biopelículas dentro de los que figuran el incremento de las

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pérdidas por fricción, reducción de la capacidad hidráulica del sistema, y a largo plazo, se ve afectado el
factor de fricción de Darcy-Weisbach (Latorre, 2005). En algunos sistemas como las conducciones de
agua caliente sanitaria, la contaminación biológica puede influir de forma específica en el flujo de agua
circulante impidiendo p.ej. en el primer caso, la transferencia de calor, aumentando la corrosión y
dañando seriamente la instalación (Gea-Izquierdo Enrique, Loza-Murguía Manuel, 2013).

El  presente  proyecto  de  grado  es  un  trabajo  experimental  que  permitirá  ilustrar  la  relación  de  la
velocidad de flujo sobre el desarrollo de las biopelículas. Esto será determinado a partir de la frecuencia,
calidad  y  cantidad  de  nutrientes  con  los  que  se  alimente  el  sistema  que,  para  este  caso,  será  pasto
Kikuyo que cumplirá el papel de fuente de carbono orgánico biodegradable (COBD) de difícil asimilación.
Adicionalmente  se  realizará  la  interpretación  del  comportamiento  hidráulico  y  de  la  influencia  de  la
rugosidad de la biopelícula en el interior de las tuberías, con el  fin de proponer condiciones aptas para
el desprendimiento de las asociaciones microbiológicas.

Para recrear las condiciones de una red de distribución de agua potable, se adicionó cloro residual cuyas
cantidades  varían  a  lo  largo  del  procedimiento  experimental,  a  fin  de  determinar  los  patrones  de
crecimiento  y  desprendimiento  de  la  película  biológica.  Además  se  realizóla  toma  de  datos  en  un
sistema  recirculado,  ya  que  en  investigaciones  anteriores  se  ha  descrito  que  el  caso  más  crítico  del
comportamiento hidráulico ante la presencia de biopelículas, se presenta en esta condición, y  el costo
operacional se incrementa notoriamente.

1.1. Objetivos

1.1.1. Objetivo general

Se pretende determinar la influencia de la velocidad de flujo en el comportamiento de las biopelículas a
través del tiempo y de su relación con el factor de fricción de Darcy-Weisbach, y la subcapa laminar
viscosa, para evaluar las características de desprendimiento ante diferentes velocidades y con el mismo
material (PVC).

1.1.2. Objetivos específicos

 Establecer la posible relación entre el espesor de la biopelícula y la velocidad de crecimiento de

la biopelícula, ante diferentes velocidades de flujo.

 Comparar la rugosidad absoluta, el espesor de la biopelícula y el espesor de la subcapa laminar

viscosa, para tres tuberías de PVC con velocidades diferentes.

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 Determinar la influencia de la rugosidad de la biopelícula en factores como las pérdidas por

fricción y el número de Reynolds, mediante la implementación del Diagrama de Moody, para
diferentes velocidades de flujo.

 Comparar los espesores de la biopelícula de las tuberías en PVC y el diagrama de Moody del

presente proyecto, con dos trabajos anteriores que implementaron una fuente de Carbono
Orgánico Disuelto Biodegradable (CODB) diferente al pasto y que utilizaron un montaje similar.

 Comparar los resultados del presente Proyecto de Grado con los de Trujillo (2011) y Vargas

(2012).

 Registrar el comportamiento de las biopelículas mediante un recuento en placa por el método

Escobillón y un historial fotográfico de las tuberías.

 Evaluar el efecto de la velocidad de flujo y de los nutrientes en el desarrollo y desprendimiento

de la biopelícula.

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2. ANTECEDENTES

El tema de las biopelículas y la influencia de estas en redes de distribución de agua potable, ha sido
estudiado ampliamente desde diferentes enfoques. Dentro de los estudios a destacar están:

“Crecimiento  bacteriano  en  las  redes  de  distribución  de  agua  potable:  una  revisión  bibliográfica”
(Juliana  Knobelsdorf,  Rafael  Mujeriego,  1997),  en  donde  se  realiza  una  revisión  bibliográfica  de  los
métodos  que  permiten  evaluar  el  crecimiento  bacteriano  en  las  redes  de  abastecimiento.  Se  describe
cada  método  y  sus  fundamentos,  además  del  proceso  de  formación  y  desarrollo  de  la  biopelícula,  el
efecto  de  los  desinfectantes  y  la  influencia  de  los  materiales  de  la  tubería  obre  el  crecimiento
microbiano.

El  artículo  “Influence  of  hydraulic  regimes  on  bacterial  community  structure  and  composition  in  an
experimental drinking water distribution system” (Douterelo I, Sharpe RL, Boxall JB., 2012), presenta los
resultados de una investigación con 454 pyrosequencias de RNA ribosomal para investigar la influencia
de  los  diferentes  regímenes  de  flujo  en  redes  de  distribución,  sobre  la  estructura  bacteriana  de  la
biopelícula  y  la  calidad  del  agua  potable.  Los  resultados  mostraron  que  las  condiciones  hidráulicas
influencian  la  estructura  de  la  comunidad  microbiana,  pues  las  bacterias  expuestas  a  flujo  variado
mostraron,  en  28  días,  mayor  capacidad  de  producir  sustancias  poliméricas  extracelulares  para
adherirse  a  superficie  y  favorecer  la  co-agregación,  de  las  bacterias  presentes  en  el  agua  que  se
transporta en las tuberías.

Otro  estudio  que  proporcionó  información  relevante  para  el  presente  proyecto  fue    “Drinking  water
biofilm assessment of total and culturable bacteria under different operating conditions” (L C Simões, N
Azevedo, A Pacheco, C W Keevil, M J Vieira, 2006).  En este se monitorearon  biopelículas sometidas a
diferentes  condiciones  de  sustrato  y  flujo,  y  se  midieron  las  Unidades  Formadoras  de  Colonias  para
determinar los factores que tienen mayor influencia sobre el aumento en la cantidad de biopelícula. El
uso de flujo turbulento (Re= 11000) en lugar de flujo laminar (Re= 2000), y el uso de PVC como material
de tubería, fueron las condiciones bajo las cuales más UFC se obtuvieron.

En  la  Universidad  de  los  Andes  se  han  adelantado  y  desarrollado  investigaciones  relacionadas  con  el
efecto hidráulico que tienen las biopelículas en sistemas de distribución de agua. Estas investigaciones
relacionan la formación y desarrollo de las biopelículas dentro de las tuberías de la red de distribución
de agua potable, con un efecto hidráulico cuantificable. En una de las tesis que trató el tema fue “Efecto
hidráulico  de  las  biopelículas  en  tuberías  de  agua  potable”  (Sanchéz,  2005),  que  establece  que  las
pérdidas por fricción y la rugosidad absoluta aumentan con el transcurso del tiempo.

También se han adelantado trabajos que reúnen las metodologías para el control del crecimiento y el
desarrollo de las biopelículas como lo fue el trabajo “Deterioro de la calidad del agua por el posible

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desprendimiento de las biopelículas en las redes de distribución de agua potable. Estado del arte”
Gelves (2005)

En esta revisión bibliográfica se determinó que el suministro de 0.5 mg/l de Cloro, y el incremento en la
velocidad hasta un punto en el que se ejerza una fuerza cortante significativa sobre las células fijadas en
la biopelícula, son factores importantes en el desprendimiento de la misma.

Los proyectos “Velocidad de desprendimiento de las biopelículas en tuberías de distribución de agua
potable” de Luis Fernando Muñoz, 2005, y la tesis de grado de Ángela Donoso “Efecto de los materiales
de las tuberías en la generación de biopelículas en redes de distribución de agua potable” del 2009,
presentan un nuevo enfoque y punto de análisis de la dinámica de crecimiento de las biopelículas.

El  presente  trabajo  es  una  continuación  del  trabajo  de  grado  de  Trujillo  (2011)  “Modelación  de
biopelículas  en  redes  de  distribución  de  agua  potable  alimentadas  con  Carbono  Orgánico  Disuelto
Biodegradable”,  quien  desarrolló  las  primeras  mediciones  en  el  montaje  del  proyecto.  En  sus  tesis
Trujillo concluyó que las propiedades físicas de las biopelículas como la visco-elasticidad, le confieren a
la misma propiedades para deformarse absorbiendo o liberando energía del flujo; los datos que obtuvo
mostraron que el aumento en el coeficiente de rugosidad absoluta depende de la velocidad del flujo y
de la cantidad de sustrato, y planteó que un aumento en la velocidad del flujo aumenta la velocidad de
crecimiento de la biopelícula.

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3. MARCO TEÓRICO

3.1. Definición de biopelícula

El  término  biopelículas  se  refiere  a  una  organización  microbiana  y  bacteriana  que  se  adhiere  a  una
superficie  mediante  la  secreción  de  un  polímero.  Estas  comunidades  microbianas  están  compuestas
normalmente  por  múltiples  especies  que  interactúan  entre  sí  y  con  el  ambiente,  esto  con  el  fin
adaptarse  a  los  distintos  medios  que  colonizan  y  así  asegurar  su  supervivencia.  La  integración  de  las
mismas se logra mediante lo que se conoce como una matriz extracelular de sustancias poliméricas que
es un ambiente dinámico donde las células microbianas alcanzan una condición estable y constante y se
organizan  de  tal  forma  que  se  pueda  hacer  uso  de  todos  los  nutrientes  disponibles  (Sutherland  IW,
2001).

Los componentes principales de esta matiz son células microbianas, polisacáridos, agua y los productos
que secretan los organismos presentes. Estos componentes permiten que haya varias comunidades las
cuales tienen entre ellas intercambio genético lo que puede afectar en gran medida la integridad y
estabilidad de la biopelícula.

Las  bacterias  se  organizan  en  la  biopelícula  mediante    “la  detección  de  quórum”  que  es  básicamente
señalización intracelular que involucra la regulación y expresión de ciertos genes mediante moléculas de
señalización  que  proveen  protección  y  supervivencia.  Aunque  esta  característica  no  siempre  es
responsable  por  la  formación  de  la  biopelícula  si se  ha  comprobado  que  influencia  el  desarrollo  de  la
misma para diferentes especies (Matthew R. Parsek, 2005).

Esta organización representan un estrategia de supervivencia, pues además de ordenarse para
aprovechar los productos que se ofrecen entre microorganismos y entre comunidades, cuentan con un
sistema de canales que son un medio de comunicación entre el medio externo y las capas más cercanas
a la superficie para proveer nutrientes y eliminar desechos metabólicos (Marisol Betancourth, Javier
Enrique Boteo, Sandra Patricia Rivera, 2004).

3.1.1. Características de las biopelículas

Las  biopelículas  son  una  serie  de  microorganismos  que  se  agrupan  en  un  exopolímero  compuesto  de
glicocálix en un 75%; este es producido por los mismos microorganismos que resultaran adheridos a la
matriz  donde  forman  colonias  con  diferentes  requerimientos  metabólicos.  Una  de  las  características
más  importantes  de  las  biopelícula  que  es  la  heterogeneidad  pues  se  pueden  llegar  a  formar
organizaciones de bacterias, hongos y protozoos, cada una con diferente microambiente pues varían en
el PH, la concentración de iones, carbono y nitrógeno, y la tensión por O

(Marisol Betancourth, Javier

Enrique Boteo, Sandra Patricia Rivera, 2004).

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La hidrodinámica es muy importante para que se desarrolle una biopelícula debido a que esta prolifera
en  una  interface  líquido-sólido  donde  la  velocidad  del  flujo  que  lo  atraviesa  es  responsable  del
desprendimiento de partes de la misma. Las que componen la biopelícula crecen predominantemente
en  microcolonias  de  morfo  tipos  similares,  dentro  de  la  agrupación,  que  se  organizan  entremezcladas
con  canales  de  agua  que  contienen  menos  células  bacterianas  y  cuya  matriz  está  compuesta  de  un
material mucho más permeable que el resto de la agrupación de colonias; esto permite el transporte de
nutrientes y desechos.

3.2. Desarrollo de la biopelícula

3.2.1. Formación de la biopelícula

Una  vez  se  da  la  adhesión  inicial  a  la superficie,  ya  sea  mediante  una  sola  especie  de  bacterias o  una
población variada, algunas células se desarrollan y comienzan a excretar un exopolisacárido hasta que
logran  producir  una  microcolonia  donde  las  células  vecinas,  que  son  morfológicamente  similares,
quedan  embebidas  en  una  matriz  de  polisacáridos.  Con  el  aumento  del  espesor  se  comienzan  a
presentar  limitaciones  de  nutrientes  para  las  capas  más  cercanas  a  la  superficie  y  disminuye
considerablemente el crecimiento de la biopelícula. Cuando la misma alcanza un espesor igual al de la
subcapa laminar viscosa (capa próxima al contorno donde tiene lugar todo el gradiente de velocidades,
ya  que  la  velocidad  debe  reducirse  desde  su  valor  inicial  hasta  anularse  en  la  pared)  se  comienzan  a
presentar  desprendimientos.  A  continuación  se  especifican  claramente  las etapas  de  desarrollo  de  las
biopelículas.

3.2.2. Adherencia a la superficie

La  adherencia  de  los  primeros  microorganismos  a  la  superficie  ocurre  en  primera  medida  con  la
adsorción de una capa de materia orgánica que ocurre en minutos de haber comenzado la exposición de
la  tubería  al  agua  con  COBD,  lo  que  cambia  las  propiedades  de  la  superficie  húmeda.  El  cambio  de
propiedades físicas y químicas de la superficie permite que las células microbianas se unan dependiendo
del  tipo  de  proteínas  de  la  cubierta  y  los  apéndices  motrices  de  las  mismas,  contando  con  la  capa
orgánica como fuente de nutrientes para sobrevivir (W. G. Characklis, K. E. Cooksey, 1990).

3.2.3. Colonización y desarrollo

Los  microorganismos  que  se  encuentran  en  el  agua  transportada  en  las  redes  de  distribución  se
adhieren  a  la  superficie  de  la  tubería  puede  ocurrir  en  dos  etapas.  La  primera  ocurre  posterior  a  la
adsorción  de  la  materia  orgánica  sobre  el  soporte  a  nivel  molecular  y  ocurre  cuando  se  adhieren  las
primeras bacterias. Esta etapa ocurre en las zonas de la tubería donde el esfuerzo cortante es mínimo y
donde la rugosidad es favorable para que esto ocurra. La duración de este proceso depende de la carga

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de la superficie y la naturaliza y concentración del sustrato o la fuente de carbono orgánico (Otero,
2005).

La adherencia de las células bacterianas, dependiendo de la carga eléctrica de las mismas, pueden
presentar movimiento browniano, o aleatorio es un medio fluido resultado de atracciones
electrostáticas o hidrofóbicas y por fuerzas de Van Der Waals.

La segunda etapa se refiere a la primera colonización que ocurre cuando la bacteria se une
irreversiblemente al sustrato y establece una población residente. El crecimiento de la biopelícula
implica el crecimiento de la biomasa microbiana que ocurre mediante el crecimiento y la división de los
organismos existentes, además de la producción de la matriz extracelular.

La segunda colonización ocurre cuando el crecimiento es tal que se comienzan a formar colonias o
agrupaciones de colonias, además de secretar un exopolisacárido que forma unas estructuras similares a
los champiñones separadas por canales de agua. También ocurre que se comienzan a adherir nuevas
bacterias y otras especies de microorganismos.

A medida que la biopelícula aumenta su espesor y las colonias individuales maduran, ocurre que estas
pierden su asociación con la superficie colonizada dando paso a asociaciones entre células de diferentes
especies para llevar a cabo procesos fisiológicos complejos como la producción de metano para poder
sobrevivir (Hilary M Lappin, Scott Costerton, J William Costerton, 2003).

3.2.4. Comunidad Madura

Cuando la biopelícula se forma como una estructura resistente y consolidada, esta actúa como interfaz
biológica donde los químicos presentes en el agua se acumulan. Dentro de estos químicos se encuentran
los nutrientes, que permiten el crecimiento y reproducción de los microbios, y los bioacomulados que
no  son  usados  por  las  bacterias  y  se  acumulan  dentro  de  las  estructuras  poliméricas.  Los  últimos
incluyen  iones  metálicos  y  sustancias  orgánicas  no  degradables  como  hierro,  manganeso,  aluminio
cobre, entre otros.

A medida que pasa el tiempo y circula el agua las biopelículas aumentan su espesor y liberan al flujo de
agua,  células  encontradas  en  la  superficie.  También  hay  un  desprendimiento  causado  por  el  esfuerzo
cortante  que  genera  el  agua  sobre  su  superficie,  el  cual  a  medida  que  se  incrementa,  así  también
aumenta la posibilidad de que se desprendan mayor número de microorganismos.  Esto ocurre debido a
que el esfuerzo no solo influencia la fuerza de cohesión de la biopelículas si no también la de adhesión
de la misma  (Stoodley, P. 2001).

En la madurez de la biopelícula aparece una organización tridimensional con huecos y canales interiores
por donde circulan el agua y las partículas de tamaño reducido. Esta es una forma de organización muy

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compleja pero es reversible ya que las células pueden desprenderse o desagregarse y volver a la vida
planctónica (Carmen San José, Belén Orgaz, 2010).

El ciclo de vida de las biopelículas se puede observar en la Ilustración 1donde se muestran desde la
adherencia a la superficie de las células libres hasta el aumento del número de colonias existentes.

Ilustración 1 Proceso de formación de biopelículas. Tomada de :

http://dspace.usc.es/bitstream/10347/2852/1/9788498874501_content.pdf

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3.3.

Las biopelículas en las redes de distribución de agua potable

3.3.1. Crecimiento de microorganismos en las redes de distribución de agua potable

Las biopelículas que se forman en las paredes de las tuberías pueden reducir la capacidad hidráulica de
las mismas, acelerar su corrosión y hacer más difícil el mantenimiento de una concentración residual de
desinfectante (Juliana Knobelsdorf, Rafael Mujeriego, 1997). El crecimiento bacteriano es propiciado por
fuentes  de  abastecimiento  de  agua  que  contienen  compuestos  orgánicos  incluso  después  de  la
desinfección final a la que se somete al agua durante su potabilización.

El  desarrollo  de  los  microorganismos  y/o  bacterias  depende  principalmente  del  contenido  de  materia
orgánica  biodegradable  y  de  la  disponibilidad  de    nutrientes  inorgánicos,  de  la  eficiencia  del
desinfectante  residual,  del  flujo  de  agua,  de  la  temperatura,  del  tiempo  de  residencia  del  agua  en  los
conductos  y  depósitos  de  almacenamiento,  del  pH  del  agua  y  del  material  de  construcción  de  las
tuberías (Juliana Knobelsdorf, Rafael Mujeriego, 1997).  La película se compone de exopolisacáridos  los
cuales  están  constituidos por  glicoproteínas  que  pueden  diferir  entre  bacterias.  Varían  desde  alginato
hasta celulosa (rico en glucosa y galactosa). Los componentes que excretan las bacterias a través de su
pared  celular  funcionan  como  moléculas  cargadas  que  permiten  realizar  intercambio  de  iones  para  la
protección de los microorganismos y la retención de nutrientes (Uzcudun, 2003).
En un estudio realizado en la Universidad de los Andes en el 2004 se planteó para biopelículas cultivadas
en condiciones de flujo turbulento (Velocidad v = 1 m/s, Re = 3600 y τ = 5 N/m

), cuando se aumentaba

el esfuerzo hasta un valor de τ = 10 N/m

, la biopelícula sufría una disminución en su espesor hasta de

un 25%, el módulo cortante encontrado para la biopelícula fue de 27 N/m

(Gelves M. F., 2005). Este

estudio muestra un comportamiento de las biopelículas como sólidos elásticos y visco elásticos para
bajos valores de esfuerzo y se comportan como fluidos visco elásticos en altos valores del esfuerzo.
Según el estudio, mediante este comportamiento se puede explicar las pérdidas de presión en tuberías
con presencia de biopelículas, ya que el comportamiento visco elástico de la biopelícula puede ayudar a
disipar la energía cinética del fluido en movimiento (Melo L.F, 2008).

3.3.2. Microorganismos que conforman la biopelícula

Muchos  estudios  se  han  llevado  a  cabo  con  el  fin  de  determinar  los  microorganismos  que  pueden
encontrarse en las biopelículas de las redes de distribución de agua potable. Dentro de la Universidad de
los  Andes  se  llevó  a  cabo  uno  de  estos  estudios  “Investigación  sobre  los  factores  que  generan  la
formación,  crecimiento  y  posterior  desprendimiento  de  las  biopelículas  en  las  redes  matrices  de
acueducto. Fase I” en el 2009 por el Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados (CIACUA).
Este  mostro  que  se  encontraron    335  microorganismos,  de  los  cuales  la  mayoría  eran  bacterias

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ambientales,  seguidas  por  bacterias  patógenas,  virus,  hongos  y  levaduras  perjudiciales  para  la  salud
humana, protozoos y una minoría de cianobacterias (CIACUA, 2009).

Entre  los  organismos  que  se  detectaron  se  asocian  a  las  biopelículas  se  encuentran  los  hongos  y
levaduras,  bacterias  potencialmente  patógenas,  bacterias  ambientales,  virus,  protozoos  y
cianobacterias.  El  problema  que  generan  estos  organismos,  es  el  deterioro  en  la  calidad  del  olor  y  el
sabor en el agua tratada además de la resistencia a desinfectantes razón por la que resguardan muchos
organismos que pueden ser perjudiciales para la salud humana.

Los hongos por ejemplo, generan productos y subproductos de su metabolismo que causan que el agua
tenga un sabor y olor a pantano o tierra, lo cual afecta directamente al consumidor final. Se observan las
especies  Aspergillus  y  Penicillium  altamente  riesgosos  para  la  vida  humana;  entre  las  levaduras  más
frecuentes se pueden encontrar las especies Candidaspp.yCryptococusspp.

Dentro de los patógenos secundarios, que son aquellos que tienen en la biopelícula un microambiente
nutritivo y electroquímico que  les  permite  sobrevivir y protegerse  de  los desinfectantes,  se encuentra
Mycobacteriumspp., Legionellapneumophilia y P. aeruginosa. Las bacterias ambientales más comunes se
encuentran la Nitospira, Planctomyces, Acidobacterium y Pseudomonas.

Todas  las  especies  antes  mencionadas  que  pueden  llegar    conformar  una  biopelícula  multi-especie
sobreviven mediante un tipo simbiosis llamado socio microbiología (LEWANDOWSKI, 2005). Este tipo de
simbiosis consiste en coordinar la comunidad para que las relaciones sinérgicas y antagónicas permitan
el crecimiento, reproducción, estabilidad estructural, difusión de sustancias y reserva de energía dentro
de la biopelícula (Almeida, 1998).

3.3.3. Factores que afectan o limitan el crecimiento y desarrollo de las biopelículas

3.3.4. Nutrientes

Dentro de las redes de distribucion de agua potable se puede encontrar materia organica biodegradable
que es la fuente de sustento de la gran cantidad de microorganismos heterotrofos que conforman una
biopelícula.    El  desarrollo  de  estos  en  los  sistemas  de  abastecimiento  ocurre  a  medida  que  obtienen
energía  y    carbono  para  su  crecimiento  y  reproducción  a  partir  de  la  materia  orgánica  biodegradable
(MOB). La de la energía y el carbono utilizados por los heterótrofos la aportan la fracción que puede ser
metabolizada y corresponde al carbono orgánico  disuelto biodegradable (CODB) en el agua de origen.

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Los  microorganismos  heterotrofos  usan  el  oxígeno  como  aceptor  final  de  electrones;  su  metabolismo
consume un 50% del carbono absorbido  para satisfacer las necesiades de la célula y lo transforma en
CO2 , mientras que el 50 % restante se usa para la generación de biomasa.

En el agua cruda se puede encontrar una gran variedad de nutrientes los cuales pueden presentarse de
manera natrural o pueden ser adicionados mediante el contacto del agua con ciertos materiales. Dentro
de  los nutrientes más importantes  disponibles se encuentra el fósforo, el nitrógeno, carbón y algunos
metales.  Con  la  disminucion  de  la  disponibilidad  de  nutrientes,  decrece  el  potencial  de  crecimiento  y
formacion  de  las  biopelículas;  por  esto  la  reducción  de  nutrientes  escenciales  es  una  solución  al
problema.

Dentro de los nutrientes más importantes para el desarrollo de la biopelícula se encuentran:



Carbón:    El  carbono  orgánico  es  usado  por  los  microorganismos  como  fuente  de  energía  y
proviene de la vegetacón viva o muerta que ingresa a la red de distribución. Normalmente estos
contienen  compuestos  húmicos,  fúlvicos,  acidos  carbolxílicos,  proteínas  y  carbohidratos
poliméricosm (Gelves M. F., 2005). Las principales fuentes de carbono orgánico que se pueden
encontrar  en  las  redes  son  los  solventes  de  la  tubería,  fibra  de  vidrio-  plástico  reforzado,
lubricantes de válvulas y bombas y partículas de aire.



Nitrógeno: En algunas situaciones al agua se le adiciona amonio para que se formen
cloroaminas. Este es un donador de electrones lo que puede causar la proliferacion de bacterias
oxidantes de amonio y una disminución del cloro residual (Vanegas, 2010). Las fuentes de
nitrógeno son los ácidos húmicos y fúlvicos, los nitritos y nitratos del agua.



Fósforo : El fósforo en forma de fosfato se ha mostrado ser escaso en ciertos tipos de agua y en
muchas ocasiones no está disponible para ser metabolizado por las bacterias. Se ha establecido
en estudios que la limitación de este en el agua no tiene influencia en el desarrollo de la
biopelícula, pero nuevos estudios dejan ver que no se tiene la certeza de esto (P. CHANDY, M. L.
ANGLES, 2001).



Iones metálicos y sales: Algunos elementos esenciales, por ejemplo cinc, cobre, cobalto, hierro,
molibdeno, son necesarios para la actividad de enzimas específicas. Por ejemplo el óxido de
hierro estimula el crecimiento de bacterias coliformes (Gelves M. F., 2005).

Cuando  las  biopelículas  se  ven  sometidas  a  un  ambiente  de  estrés  usan  medidas  adaptativas  para
asegurar  su  supervivencia.  Una  de  estas  medidas  es  que  los microorganismos  secundarios  usan  como
sustrato  de  los  desechos  de  colonizadores  primarios,  y  estos  a  su  vez  cuando  forman  nuevas  colonias
alimentarán a los microorganismos incorporados; es por esta razón, principalmente, que la escasez de
nutrientes  no  elimina  la  presencia  de  biopelículas.  Otra  de  las  adaptaciones  más  importantes  es  la
asociación para metabolizar nutrientes disponibles en el medio por medio de enzimas.

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3.3.5. Otros factores limitantes del desarrollo de la biopelícula

Como se mencionó antes hay varios factores que limitan o determinan el desarrollo de las biopelículas
dentro de las redes de distribución de agua potable. Además de los nutrientes presentes en la misma,
las siguientes variables son las más representativas:



Rugosidad:  La  importancia  de  la  misma  radica  en  que  a  mayor  área  superficial,  mayor
posibilidad de que se alberguen microorganismos y sustancias que favorezcan el crecimiento de
los mismos dentro de la biopelícula. Esto se evidencia en que, generalmente, las superficies lisas
retrasan la adherencia de bacterias pioneras, es decir que la tasa inicial a la que se comienza a
cubrir la pared de la tubería de microorganismos es menor que en superficies rugosas, aunque
con el tiempo es inevitable la formación de la biopelícula. Dentro de este factor se debe tocar el
tema  de  la  edad  de  la  tubería  pues  a  causa  de  la  edad  avanzada  de  la  misma,  esta  puede
presentar  incrustaciones  o  zonas  donde  la  biopelícula  pueda  protegerse  del  esfuerzo  cortante
ejercido por el flujo o del desinfectante usado,



Tiempo de retención del agua dentro de las tuberías: A medida que sea más largo el tiempo en
que un volumen de agua se encuentre dentro de la tubería, se favorecerá la formación de la
biopelícula debido a que las condiciones dentro de la misma son estables y permiten el
desarrollo y sostenimiento de los microorganismos (Bernal, 2009).



Temperatura del agua: Con el aumento de la temperatura dentro del sistema de distribución se
esperaría un aumento en el crecimiento de las biopelículas. Este es uno de los factores más
influyentes pues inhibe el efecto de los desinfectantes y aumenta la posibilidad de corrosión.



Concentración del desinfectante residual: Entre mayor sea la concentración del desinfectante,
existe una mayor posibilidad de que este entre en contacto con los microorganismos y los
ataque inhibiendo su crecimiento.



Condiciones hidráulicas: La teoría de la capa límite establece que la velocidad del agua
disminuye hasta 0 cuando esta fluye lentamente en las cercanías de la pared de la tubería. La
distancia entre la pared y el punto donde ocurre este fenómeno donde la velocidad no obedece
el orden de magnitud del caudal que circula se le conoce como subcapa laminar; el espesor de la
misma es el máximo espesor que pueden alcanzar las biopelículas, influenciadas por la velocidad
y los nutrientes presentes. Cuando la biopelícula supera el espesor máximo se da el fenómeno
de desprendimiento que se aumenta con velocidades altas, que a su vez pueden aumentar el
contacto de la biopelícula con los desinfectantes inhibiendo su desarrollo pero nunca evitando
que se formen (Bernal, 2009).

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

Características  iniciales  del  agua  potabilizada:  Las  características  físicas,  químicas  y
microbiológicas  del  agua  pueden  ser  un  factor  primordial  en  el  desarrollo  y  formación  de  la
biopelícula.  Si  el  agua  potabilizada  pasó  por  un  tratamiento  de  desinfección  y  filtración  la
cantidad  de  microorganismos  que  entran  a  la  red  puede  ser  menor;  lo  mismo  ocurre  con  las
aguas  subterráneas,  en  las  cuales  se  esperaría  menor  presencia  de  microorganismos  en
comparación con las aguas superficiales (Bernal, 2009).

3.4.

Condiciones hidráulicas del flujo de agua

Los regímenes hidráulicos que se presenten dentro del sistema de distribución de agua, es uno de  los
factores  con  mayor  influencia  en  la  determinación  de  niveles  de  materia  orgánica  y  contacto  de  los
microorganismos con el desinfectante residual como se mencionó antes. Además, la velocidad de flujo
es  responsable  del esfuerzo cortante  que  genera el desprendimiento  de  las  biopelículas  dentro  de  las
tuberías,    del  nivel  de  nutrientes  y  desinfectantes  que  están  en  contacto  con  la  misma.  Esta  y  otras
variables  permiten  abordar  el  estudio  del  comportamiento  del  agua  dentro  de  los  sistemas  de
distribución  mediante  las  ecuaciones  básicas  de  la  hidráulica  de  tuberías  que  permiten  entender  las
pérdidas  de  energía  descritas  en  los  experimentos  de  Reynolds,  la  ecuación  físicamente  basada  de
Darcy-Weisbach y la ecuación del factor de fricción de Colebrook-White (Saldarriaga, 2007).

A continuación se explican las variables y aspectos teóricas relevantes en el estudio de la formación de
biopelículas dentro de las tuberías de un sistema de distribución de agua potable.

Número de Reynolds: Este es un número adimensional que depende del diámetro de la tubería, de la
velocidad del flujo de agua y de la viscosidad cinemática. Este se describe según la Ecuación 1.

Ecuación 1. Número de Reynolds. Fuente: (Saldarriaga, 2007).

donde:



Re: Número de Reynolds



d: Diámetro de la tubería



v: Velocidad



: Viscosidad cinemática (Saldarriaga, 2007).

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Si este número es menor a 2000, las fuerzas viscosas son las que predominan y el flujo es laminar.  El
número  de  Reynolds  entre  2000  y  5000,  implica  un  régimen  de  comportamiento  transicional  y  para
valores  superiores  a  5000  las  fuerzas  viscosas  no  tienen  mayor  influencia,  predominando  el  flujo
turbulento.

Los flujos pueden pertenecer a las categorías antes mencionadas que se explicarán en detalle a
continuación:

Flujo Laminar: Se refiere al flujo en el cuál el agua se mueve en capas  ya que el gradiente de velocidad
es  bajo y la fuerza inercial es  mayor que  la de  fricción. Las partículas siguen trayectorias definidas sin
que exista intercambio de fracciones de  fluido entre ellas (Saldarriaga, 2007).

Flujo en Transición: El caudal que se define depende de las condiciones del experimento para el cual
este fenómeno se presenta, si la turbulencia remanente en el tanque de entrada es baja, la transición
demora en presentarse. Si el grado de aquietamiento inicial es alto, la transición puede presentarse
rápidamente. Lo anterior se conserva para cualquier condición de caudal (Saldarriaga 2007).

Flujo turbulento: Con el aumento del gradiente de velocidad se incrementa la fricción entre partículas
vecinas al fluido, las cuales adquieren una energía de rotación apreciable por lo que el vector de
velocidad de cada una no está bien definido causando que las partículas choquen entre sí y cambian de
rumbo en forma errática. Comúnmente se habla de velocidad promedio para este tipo de flujo, debido a
que no es permanente (Saldarriaga, 2007).

Según

Ludwig Prandtl cuando un fluido que está en movimiento se encuentra con una pared sólida se

genera un esfuerzo cortante causado por la viscosidad del fluido. La zona de flujo que se ve afectada por
este esfuerzo se conoce como capa límite ya se turbulenta o laminar. En la siguiente figura se muestra
como es la distribución de velocidades disminuyendo a 0 en la superficie sólida.

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Ilustración 2 Capa límite. Tomado de:

http://www.oni.escuelas.edu.ar/2008/BUENOS_AIRES/1315/pq2.html

Cuando el flujo en circulación es turbulento, se genera una capa conocida como subcapa laminar
viscosa, ya que en ella priman las fuerzas viscosas sobre las inerciales. El espesor de esta capa es menor
al de la capa límite, pues corresponde a una zona dentro de la última.

Ilustración 3 Flujo turbulento, interacción con pared sólida. Tomado de: http://ocwus.us.es/arquitectura-e-

ingenieria/operaciones-basicas/contenidos1/tema3/pagina_11.htm

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La fuerza de presión causada por el esfuerzo cortante explica las pérdidas por fricción en tuberías
mediante la siguiente ecuación:

Ecuación 2. Esfuerzo Cortante de Prandlt (Saldarriaga, 2007).

donde:



el esfuerzo cortante



D= el diámetro de la tubería



la densidad del fluido



g= la gravead



Hf=es la pérdida de presión piezométrica



L=es la longitud en la que se produce la pérdida.

Ecuación 3. Espesor subcapa laminar viscosa. Fuente: (Saldarriaga, 2007).

Donde:



es la velocidad de corte



ν= es la viscosidad cinemática.

El espesor de la subcapa laminar viscosa en relación con la rugosidad, diferencia a los flujos
hidráulicamente lisos de los rugosos; cuando ks ≤ 0,305

el flujo es turbulento hidráulicamente liso,

cuando 0,305

< ks ≤ 6,1

el flujo es turbulento transicional, y si por el contrario ks > 6,1

el flujo es

turbulento hidráulicamente rugoso (Saldarriaga, 2007).

La ecuación de Darcy y Weisbach determina lo que se conoce como pérdidas por fricción, que son las
únicas pérdidas que se presentan en las tuberías simples. Esto ocurre como consecuencia de la fricción
entre las paredes de las tuberías y el flujo de agua que corre a través de ellas.

Ecuación 4. Pérdidas por fricción. Fuente: (Saldarriaga, 2007).

donde :

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

f = el factor por fricción



l = la longitud de la tubería



ϑ= la velocidad del flujo.

La ecuación que describe el factor de fricción es la de Colebrook-White de 1939; se aplica a flujo
turbulento y se muestra en la siguiente ecuación:

√

Ecuación 5. Ecuación de Colebrook-White (Saldarriaga, 2007).

donde:



ks/d =la rugosidad relativa de la tubería



Re = el número de Reynolds.

La naturaleza del factor de fricción fue estudiada por el ingeniero norteamericano Lewis F. Moody
hacia 1940, quien desarrolló un modelo experimental basado en los resultados de Nikuradse y C.F.
Colebrook,  investigando  las  pérdidas  por  fricción  en  tuberías  con  rugosidades  no  artificiales
(Saldarriaga,  2007). La  representación  gráfica,  conocida  como  diagrama  de  Moody,  está  en  escala
doblemente logarítmica donde se plasma el factor de fricción en función del número de Reynolds y
la  rugosidad  relativa  de  la  tubería  para  flujo  laminar  (Re  <  2000)  hasta  flujo  turbulento
hidráulicamente rugoso.

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Ilustración 4 Diagrama de Moody tomada de: http://metodosnumericosunalmzl.wikispaces.com

3.5. Parámetros de control de crecimiento de las biopelículas

La biopelículas son capaces de  aumentar su densidad aún bajo presión, presentando alta resistencia al
esfuerzo  cortante,  sin  embargo  dicha  resistencia  se  puede  disminuir  al  revertir  el  sentido  del  flujo  de
agua,  debido  a  que  la  biopelícula  se  estructura  de  manera  que  resista  el  flujo  en  un  solo  sentido
(CIACUA,  2009).  Ocurre  que  para  regímenes  de  flujo  laminar  o  de  poca  turbulencia,  la  capa  límite
hidrodinámica puede afectar las interacciones entre las células y el sustrato, la biopelícula se comporta
como un sólido visco-elástico; al aumentar el esfuerzo cortante el comportamiento pasa a ser un fluido
visco-elástico  y  se  deforma  permanentemente.  La  biopelícula  sufre  deformaciones  (formación  de
cuellos), hasta llegar a acumular 20% de deformaciones antes de llegar a la falla  (Stoodley P, Wilson S,
Cargo R, Piscitteli C, Rupp CJ, 2001).

Además métodos como la desinfección causa que la estructura general de la biopelícula cambie; la
apariencia física consiste en celdas que tienden a mantenerse en grupos ya que los organismos
individuales desaparecen (Sanchez, 2005).

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Las biopelículas, a pesar de su resistencia, se pueden controlar con tratamiento físico, químico y
mecánicos. En este caso se estudia el cloro que es usado ampliamente en agua como agente oxidante
para controlar el olor, sabor y color en los tratamientos de agua municipales, y como desinfectante de
agua residuales y para tratamiento de agua potable.

El cloro que se utiliza en el tratamiento de agua y desechos, no es solamente la especie elemental de
cloro Cl

, sino que se conforma de especies como el ácido hipocloroso HOCl, ion hipoclorito OCl- y otras

especies en las que se incluyen sales de HOCl (NaOCl y Ca(OCl)2).

La capacidad de desinfección del HOCl se considera superior a la de OCl-, por lo que resulta de gran
importancia controlar el pH pues la predominancia de las especies varía según este; a pH menores a 7.5,
el HOCl predomina, mientras que con pH mayores a 7.5, la especia predominante es el OCl-.

La  penetración  del  cloro  en  la  biopelícula  se  dificulta  por  ser  esta  un  lecho  viscoso  que  actúa  como
barrera  protectora  de  los  microorganismos  presentes  dentro  de  la  misma.  La  eficiencia  de  la
desinfección depende principalmente de la demanda de cloro del agua y de la biopelícula, del espesor
de la misma, de la concentración de cloro en la interface sólido-agua y de la dosis de cloro aplicada.

Otro mecanismo de control para la formación de biopelículas es evitar que los materiales de las tuberías
lleguen a una edad muy avanzada, no solo porque se genera un decaimiento del desinfectante residual,
sino porque se pueden generar sitios de estancamiento a lo largo del sistema de distribución gracias a la
corrosión (Murcia, 2009).

Muñoz en el 2001, en la Universidad de los Andes, resalta otro método de control que es el del
“flushing” que consiste en el lavado convencional, donde se abren las válvulas de un sector sin un orden
específico, y el lavado unidireccional donde se sigue un orden de rutas. Lo que logra este método es
desprender y evitar el desarrollo y adherencia de las biopelículas mediante la fricción entre el agua y la
pared de la tubería (Muñoz, 2010).

En general se han planteado como estrategias de control a la contaminación bacteriológicas y desarrollo
de las biopelículas, la implementación de un programa de mantenimientos a los tanques y tuberías,
controlando la corrosión, cambios y evaluación en el régimen de la dosis de desinfectante, y control de
los niveles de nutrientes.

3.6. Desprendimiento de la biopelícula

Las biopelículas liberan continua y naturalmente células de su superficie, pero también se presenta un
desprendimiento, no natural, causado por el esfuerzo cortante que influencia no sólo la fuerza de
cohesión de la misma, sino la fuerza de adhesión.

El desprendimiento se puede clasificar en cuatro tipos diferentes. El primero es el de erosión que
consiste en el desprendimiento de pequeñas partes de la biopelícula dentro de la masa de agua. El

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segundo es el barrido en el cual se desprenden grandes porciones de la base de la película. El tercero es
la abrasión que se por la colisión de partículas. Por último la depredación que solo ocurre cuando un
macroinvertevrado consume la biopelícula.

La taza de erosión de las biopelículas está determinada por el espesor de la misma y el esfuerzo cortante
que  actúa  en  la  interface  sólido-líquido;  además  cuando  se  presentan  desprendimientos  en  masa
pequeños, los efectos de cortante sobre la biopelícula, al igual que la hidrodinámica del sistema cambia,
haciendo  que  la  biopelícula  se  torna  más  heterogénea  y  pueden  causar  más  desprendimientos.  En
contraste  para  desprendimientos  rápidos  y  masivos  la  tasa  depende  del  decaimiento  de  oxígeno  o
nutrientes dentro de la estructura de la biopelícula (Gelves M. F., 2005).

Se ha encontrado que el desinfectante residual no tiene tantos efectos en los desprendimientos en
masa como en los desprendimientos de células individuales.

Algunas células desprendidas pueden actuar como pioneras en busca de un nuevo hogar a colonizar
cuando se presenta escases de nutrientes y mucha competencia dentro de la biopelícula.

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4. DESCRIPCIÓN DEL MODELO

El objetivo de este proyecto fue el de recrear las características físicas presentes en las redes de
distribución de agua potable para poder evaluar el efecto de las biopelículas sobre estas. Para esto se
utilizó el montaje experimental usado en investigaciones anteriores por Ángela Donoso en su tesis
“Efecto de los materiales de las tuberías en la generación de biopelícula en redes de distribución de agua
potable”. El montaje fue realizado el Laboratorio de Hidráulica de la Universidad de los Andes.

Posteriormente este montaje fue modificado  por María Ximena Trujillo en su tesis “Modelación física de
biopelículas  en  redes  de  distribución  de  agua  potable  alimentadas  con  carbono  orgánico  disuelto”,  y
después por Tatiana Vargas quien continuó con la toma de datos en su tesis “Biopelículas alimentadas
con CODB mediante pastos: Dinámica de crecimiento y desprendimiento en sistemas de distribución de
agua potable.” A fin de ampliar los resultados encontrados por Trujillo y Vargas; se pretende abordar el
mismo modelo que utilizaron en sus proyectos de grado.

4.1. Planta física

El modelo modificado usado por Vargas se compone de un tanque elevado que se conecta a tres
tuberías en PVC de 4 pulgadas de diámetro. Las tuberías 1 y 3 están conectadas en sus extremos a unas
tuberías de vidrio de 2 pulgadas de diámetro nominal, el cual se conecta lateralmente mediante dos
Tees con reducción de diámetro.

Las tres tuberías tienen sus respectivas válvulas que  regulan el caudal que  pasa por las mismas; estas
llegan a tres vertederos los cuales dirigen el flujo de agua a un tanque de almacenamiento conectados a
una tubería de bombeo  en PVC de 4 pulgadas de diámetro que llega al tanque elevado; de este último
sale  una  tubería  de  rebose  de  6  pulgadas  de  diámetro  nominal  que  llega  hasta  el  tanque  de
almacenamiento.

La información descrita anteriormente se puede detallar en la vista en planta del modelo en la
Ilustración 5 y en la vista de perfil del modelo de recirculación en la Ilustración 6.

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Ilustración 5 Vista en planta del modelo experimental

Rebose Ø6"

Bombeo Ø4"

Ø4"

Nivel 0

Tubería en PVC

Ø2"

Ø4"

Tubería de vidrio

Ø2"

piezómetros

Testigos

VISTA EN PLANTA DEL PROYECTO DE

GRADO BIOPELÍCULAS

válvula auxiliar

Tubería en PVC

Tablero piezométrico

Tubería de vidrio

Ilustración 6 Vista de perfil del modelo experimental.

Vertedero en PVC

Tanque en PVC 54"

Piezómetros

VISTA DE PERFIL DEL MODELO

EXPERIMENTAL

4.1.1. Tuberías de PVC

Según el modelo planteado por Vargas se instalaron los últimos 4 piezómetros para cada tubería a los
3.97 metros desde el tanque elevado. Este punto de medición fue elegido para registrar las pérdidas por
fricción aguas abajo. Para registrar las pérdidas por fricción aguas arriba se ubicaron los 4 piezómetros a
1.2 metros lineales del codo conector entre la tubería y el tanque elevado. Desde el tanque elevado
hasta los piezómetros de medición agua abajo se tiene una longitud libre de accesorios de 3.97m.

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Estas medidas fueron establecidas a fin de cumplir con la distancia mínima para que el flujo se estabilice;
esta es de 10 veces el diámetro de la tubería que se utiliza.

La disposición espacial de los cuatro piezómetros dentro de la tubería en cada uno de los puntos
mencionados anteriormente del montaje, se muestra en la Figura 1.

Figura 1 Disposición espacial de los piezómetros en la tubería de PVC.

Los piezómetros están dispuestos de tal manera que el primero quede en la parte superior del tubo, el
segundo en orden ascendente al lado derecho, el tercero en la parte inferior de la tubería y el cuarto al
lado izquierdo. Este mismo sistema de numeración se utiliza aguas abajo pero estos se enumerandel 5 al
8; En la tubería número 2 se tienen los piezómetros del número 9 al número 16, y en la tubería número
3 se tienen los piezómetros del número 17 al número 24.

Figura2 Tuberías de PVC en el montaje.

4.1.2. Válvulas de control

Se encargan de influir en el paso de los fluidos; estas se van abriendo o cerrando dependiendo de las
necesidades del flujo con el fin de establecer un caudal para recirculación y variarlo para la toma de
medidas de pérdidas por fricción. Se va a continuar con lo que Tatiana Vargas implementó en su tesis

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donde el caudal que se fluctúa debe limitarse a un flujo turbulento, con números de Reynolds entre
20000 y 200000 para garantizar una ubicación deseable en el diagrama de Moody.

Las válvulas en el modelo se encuentran a 0.18 metros del codo que conecta  al tanque elevado con la
tubería de PVC. Estas se abren o se cierran según el caudal que se desee hacer pasar por las tuberías.
Cada tubería tiene un caudal diferente en recirculación normal; en la identificada con el número 1 y en
la número 3, se dispuso una apertura de 5 vueltas  y 8 vueltas, es decir están a un 16%  y 27% abierta
respectivamente,  y  la  identificada  con  el  número  2  se  encuentra  abierta  30  vueltas,  es  decir  se
encuentra a un 100% abierta.

La apertura de las dos primeras válvulas es la misma del montaje de Vargas pero se modificó la tercera
que en vez de tener 6 vueltas, condición que se mantuvo hasta el 15 de Junio de 2012; se comenzó a
recircular el agua con 9 vueltas a partir del 29 de Enero de 2013.

4.1.3. Tanque elevado

Este cumple con la función de caracterizar y establecer una altura piezométrica deseada para obtener
los caudales necesarios para la toma de datos de alturas piezométricas y para la recirculación diaria del
sistema. En el tanque, que se puede observar en la Figura 3, se dispone un costal de pasto Kikuyo
sostenido por una cabuya atada al techo, como fuente de carbono como se puede observar en la Figura
4.

Figura 3 Tanque elevado del montaje.

4.1.4. Sistema de recirculación

Desde el tanque de almacenamiento se dispuso una bocatoma para que el agua sea bombeada hasta el
tanque elevado como se muestra en la Figura 4; a continuación se explica el principal componente del
sistema de recirculación.

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Figura 4 Bocatoma en el tanque elevado.

4.1.5. Motobomba

Esta se encarga de transformar la energía mecánica en energía cinética, modificando la dirección del
flujo para recircular el agua en el sistema. El equipo instalado en el sistema fue el mismo utilizado para
la tesis de María Ximena Trujillo y Vargas, a continuación se muestra en la Figura 5.

Figura 5 Bomba del sistema de recirculación.

4.1.6. Tablero piezométrico

Se ubicó el tablero al lado de la tubería 1 a una distancia que permitiera conectar los piezómetrosa fin
de  determinar  las  pérdidas  por  fricción  causadas  por  la  biopelícula.  Las  mangueras  de  este  montaje
fueron  reemplazadas  debido  a  que  las  usadas  por  Tatiana  Vargas  estaban  muy  sucias  y  no  permitían
realizar las medidas con exactitud.

Se realizaron medidas una vez por semana, a fin de realizar comparaciones con trabajos anteriores.Se
efectuaron 10 pruebas en cada medición para cada tubería variando el caudal (Trujillo, 2011;
Hernández, 2010; Donoso, 2009). El dispositivo se puede observar en la Figura 6.

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Figura 6 Tablero piezométrico para la toma de pérdidas por fricción.

4.1.7. Vertederos

En  el  sistema  hay  instalados  tres  vertederos  triangulares  pues  son  más  precisos  y  son  utilizados,
intensiva y satisfactoriamente, en la medición del caudal de pequeños cursos de agua y conductos libres.
Adicionalmente  son  usados  para  garantizar  el  perfecto  funcionamiento  mediante  un  tanque  para  el
quiebre  de  la  presión.  (Castilla, 2012)  Para  medir  las  alturas  de  la  lámina  de  agua  antes  y  después  de
prender la bomba se usó un limnímetro mecánico como se observa en la Figura7.

Figura7 Vertederos con limnímetro.

Ya que el modelo utilizado fue el mismo realizado por María Ximena Trujillo y por Tatiana Vargas, se
usan las curvas de calibración de vertederos planteadas por Trujillo que son aplicables a las condiciones

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utilizadas en el presente proyecto de grado. Los resultados determinados con las curvas se muestran en
la Tabla 1.

Tabla 1 Ecuación de caudal por vertedero.

VERTEDERO

(cm)

ECUACIÓN

10,78

(

⁄ )

10,61

(

⁄ )

10,07

(

⁄ )

donde la variable Ho se refiere a la altura inicial del vertedero cuando la bomba se encuentra apagada.
Este  dato varía debido a que  el nivel del agua no es constante  pues  influyen las fugas que  se  puedan
presentar y la temperatura fluctuante influye si ocurren fenómenos de evaporación. Es por esto que el
valor  de  Ho  no  es  una  constante  y  debe  medirse  en  cada  fecha  de  donde  se  midan  las  alturas
piezométricas, para determinar la velocidad del flujo en cada ocasión.

Figura8 Vertederos triangulares.

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4.1.8. Testigos

Son secciones de la tubería que son extraídas semanalmente. Estas permanecen en contacto con el agua
por el diámetro interno, mediante correas mientras por el externo se adhieren a una tapa y se sujetan a
la tubería con una abrazadera por cuestiones de seguridad. Basado en la metodología de (Trujillo, 2011)
se conservó la ubicación de los testigos extraíbles aguas abajo y arriba de las tuberías, como se ilustra en
la Figura 9.

Figura 9 Testigos extraíbles aguas abajo de las tuberías.

4.1.8.1.

Testigos de borde

Es el testigo que se encuentra aguas abajo de cada tubería y que tiene una mayor área. Este se
encuentra de manera individual y sus dimensiones comprenden 4 centímetros de ancho y 10
centímetros de largo (Castilla, 2012), como se puede apreciar en la Figura10.

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Figura10 Testigos de borde y de centro.

4.1.8.2.

Testigos de Centro

Son a los testigos con un área menor que se encuentran ubicados en parejas en cada tubería; tienen 4
centímetros de ancho y 7 centímetros de largo y están espaciados entre sí por 1 centímetro tanto
transversal como longitudinalmente. En cada una de las tuberías se instalaron 24 testigos los cuales se
pueden observar en la Figura 9.

4.1.9. Tubería de vidrio

Estas tuberías se encuentran localizados aguas abajo conectadas a las tuberías en PVC por los extremos.
La unión de las dos tuberías es por medio de dos Tees con codos de 2 pulgadas que permiten la
reducción de 4 a 2 pulgadas el diámetro de circulación del flujo. Los codos están unidos por un niple a
una tubería de vidrio de 1.34 metros de longitud, como se observa en la Figura 11.

Figura 11 Conexión de los tubos de vidrio a la tubería de PVC.

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Las tuberías de vidrio cumplen con la función de permitir, mediante un registro fotográfico, caracterizar
cualitativamente  el  crecimiento  y  el  espesor  de  las  biopelículas.  Esto,  sin  embargo,  no  implica
necesariamente  que  represente una caracterización del crecimiento de las biopelículas en las tuberías
de  PVC,  debido  a  que  se  prevén  cambios  de  la  dirección  del  flujo  y  la  presencia  de  reducciones  y
uniones, generan cambios en las condiciones hidráulicas. La disposición de las tuberías y las uniones se
muestra en la Figura 12.

Figura 12 Tuberías de PVC y de vidrio en el montaje.

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5. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

La metodología usada, en el presente proyecto de grado, para obtener las mediciones deseadas fue la
establecida por María Ximena Trujillo en el 2011 y utilizada posteriormente por Tatiana Vargas en el
2012.

5.1. Fuente de Carbono

Para impedir que se incorporasen al agua materiales exógenos provenientes del ambiente se usó como
fuente de carbono el pasto Kikuyo o Pennisetum Clandestinum que es encontrado en regiones
ecuatoriales como Colombia y por ende tiene una alta probabilidad de ingresar a las tuberías de la red.
Costales de este pasto fueron donados por el Departamento de Planta Física de la Universidad de los
Andes.

Según lo planteado por Vargas (2012) , Trujillo (2011) , Hernández y Donoso (2009)  una aproximación a
la realidad se puede presentar al colocar un costal con orificios lleno de Pennisetum Clandestinum en el
tanque  elevado  y  otro  en  el  tanque  de  almacenamiento  del  modelo  (Vargas,  2012,  Trujillo,  2011;
Hernández, 2010; Donoso, 2009); para dichos proyectos el pasto se suministró cada 15 y 7 días, pero en
el  presente  se  cambiaran  los  costales  cada  8  días  principalmente  para  suplir  la  demanda  de
carbono.También se cambia el pasto ya que la biopelícula creció bajo estas condiciones durante los 14
meses  aproximadamente  que  habían  transcurrido  desde  el  comienzo  del  proyecto  hasta  el  inicio  del
2013.  Adicionalmente  se  procura  evitar  daños  y  desprendimientos  de  costal  y  que  no  hayan
taponamientos de las tuberías. El pasto usado se muestra en la Figura 13.

Figura 13 Pasto kikuyo. Pennisetum Clandestinum.

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5.2. Aproximación Operacional

Se estableció en primera instancia un tiempo de recirculación de aproximadamente 8 o 9 horas para
recrear las condiciones encontradas en una red de distribución de agua potable. Posteriormente de se
establecieron las aperturas de las válvulas de la siguiente manera:

  La primera válvula se abrió de 5 vueltas para obtener una velocidad de 1 m/s.
  La segunda válvula tenía una apertura máxima para abordar una velocidad de 3 m/s
  La tercera válvula se le asignó una apertura de 8 vueltas para una velocidad de 2m/s.

Para evitar fugas de agua se procuró hacer una revisión del sistema cada día en que fue encendido para
que los resultados obtenidos no estuvieran alterados por irregularidades en las velocidades y en las
alturas piezométricas.

El procedimiento de recirculación diario se muestra a continuación en el Diagrama1.

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Diagrama1 Procedimiento de recirculación diaria.

5.2.1. Cloro Residual

Para recrear las condiciones y características que presenta un sistema de distribución de agua potable se
procuró conservar la concentración mínima de cloro en el modelo de acuerdo con la Resolución 2115 de
2007 del Ministerio de la Protección Social y el Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial
que estipula: “El valor aceptable del cloro residual libre en cualquier punto de la red de distribución del
agua para consumo humano deberá estar comprendido entre 0,3 y 2,0 mg/L. La dosis de cloro por
aplicar para la desinfección del agua y asegurar el residual libre debe resultar de pruebas frecuentes de
demanda de cloro.” (MINISTERIO DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL, 2007).

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Para  poder  comparar  los  resultados  obtenidos  en  el  modelo  descrito,  con  resultados  anteriores  se
estableció  que  la  concentración  de  cloro  residual  debería  ser  de  0.5  mg/L.  Para  tal  fin  se  utilizó
hipoclorito de calcio HTH granular como desinfectante a partir del 30 de Enero de 2013.

María Ximena Trujillo planteó una concentración inicial de hipoclorito de calcio (

) de 20.5 g

(Trujillo  Gómez, 2011),  pero  debido  a  que  el  agua  es  recirculada  el cloro  residual  va  disminuyendo   a
través  del  tiempo.  Tomando  como  referencia  las  curvas  de  cloro  residual  del  modelo  planteadas  por
Tatiana  Vargas  se  planteó  una  concentración  inicial  de  cloro  de  47.6  g  de

que debía ser

introducido en el sistema, diluido en agua, cada día.

La concentración de cloro residual disminuyó a partir del 18 de Abril pues se midieron concentraciones
de cloro residual entre 1 y 2 mg/L por lo que fue necesario realizar una curva de calibración de en la que
se estableció una cantidad de

igual a 37.2 gramos.

5.2.2. Control cuantitativo a la formación y el desarrollo de biopelículas.

Como se mencionó anteriormente hay dos tipos de testigos instalados dentro del montaje; cada uno de
ellos sirve para medir la biomasa, el espesor y la velocidad de crecimiento de la biopelícula. Los testigos
de centro y de borde operan de igual manera; estos se extraen y se pesan con el fin de determinar las
características antes mencionadas.

En el presente proyecto se realizaron mediciones de pérdidas por fricción en los piezómetros para
analizar como las características hidráulicas que se ven influenciadas por la formación de las biopelículas
en sistemas de distribución de agua potable.

5.3. Aspectos microbiológicos de las biopelículas

Para realizar el análisis de los aspectos microbiológicos de la biopelícula se usaron dos tipos de
mediciones, una cuantitativa y una cualitativa, al igual que María Ximena Trujillo en el 2011. Como se
mencionó anteriormente las herramientas para lograr esto son los testigos para la primera
aproximación, y las tuberías de vidrio para la segunda.

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5.4. Análisis cualitativo

Con la instalación de dos tubos de vidrio en los extremos de las tuberías, se realizó un seguimiento
fotográfico de la formación y el crecimiento de la biopelícula en las tuberías de vidrio. Esto sin embargo
no es directamente comparable con lo que ocurre dentro de las tuberías de PVC, no solo por el cambio
de material sino porque hay un cambio en la dirección del flujo, y la reducción de diámetro pueden
diferir alterar el desarrollo de las biopelículas que se observe.

5.5. Análisis cuantitativo

5.5.1. Medición de Testigos

La medición de los testigos se realiza procurando que cada testigo sea usado solo una vez. Esto para que
la manipulación de los mismos no altere el crecimiento de la biopelícula y así obtener resultados
precisos cobre el desarrollo de la misma a través del tiempo. Este análisis reflejara el comportamiento
del crecimiento de las biopelículas, no de los microorganismos que la componen.

El procedimiento utilizado para extraer los testigos de borde y de centro se muestra en el Diagrama 2.

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Diagrama 2 Procedimiento para pesar los testigos.

Esto se realizó una vez a la semana desde el 31 de Enero de 2013 hasta el 28 de Mayo de 2013. Algunas
consideraciones deben tenerse al momento de realizar este procedimiento. La primera es que cuando se
extraen los testigos se deben dejar secar por un tiempo para que el agua que se acumula no modifique
los pesos que se van a registrar. La segunda es que para el registro de los pesos se necesita una balanza
digital y se debe asegurar que la misma esté calibrada y muestre una lectura de al menos 4 decimales. La
balanza utilizada para pesar los testigos se muestra en la Figura14.

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Figura14 Pesaje de testigos.

5.5.2. Cálculo del espesor de las biopelículas

Para el cálculo de los pesos se debe tener en cuenta:

 El peso obtenido en los testigos de borde es acumulado; por tanto debe restársele el peso de la

fecha inicial para determinar el espesor de la biopelícula.

 El peso de los testigos de centro es el registrado en la fecha de medición, y por ende el espesor

de las biopelículas se calcula de manera diferente para cada tipo de testigos, como lo planteó
Tatiana Vargas en su proyecto de grado y como se ilustra a continuación en la Tabla 2.

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Tabla 2 Fórmulas espesor de biopelículas según tipo de testigo.

Calculo de testigos según tipo
Tipo

Peso de Biomasa

Espesor de Biomasa

Borde

Centro

El peso sin biopelícula de los testigos de centro se refiere al peso del testigo inicial, registrado en la
construcción del montaje, por María Ximena Trujillo.

5.5.3. Cálculo de la velocidad de crecimiento de biopelículas

Se  evaluó  el  crecimiento  de  las  biopelículas  con  el  cálculo  de  la  velocidad  de  crecimiento,  como  se
realizó  previamente  en  trabajos  anteriores.  Esta  variable  se  define  como  la  tasa  de  desarrollo  de  la
biopelícula en el primer testigo, después de los 498 días de recirculación a los que se sometió la misma.
Se expresa en micrómetros por día  y se calcula como se muestra en la Ecuación 6.

Ecuación 6. Velocidad de crecimiento de la biopelícula en los testigos.

También se calcula la velocidad de regeneración de la biopelícula para los testigos de centro después de
haber removido la película por completo y colocados nuevamente en la tubería en recirculación por un
periodo de tiempo determinado; la expresión utilizada es la de la Ecuación 7.

Ecuación 7. Velocidad de regeneración de las biopelículas en testigos de centro.

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5.6. Cuantificación por Método de Escobillón

El método utilizado será el mismo propuesto por María Ximena es su tesis y repetido por Tatiana Vargas
para  obtener  datos  comparables.  Las  pruebas  microbiológicas  consistían  en  la  selección  de  algunos
testigos de centro en los cuales se realiza un recuento de placa por el método de Escobillón (NTC 5230)
que permite calcular más exactamente la magnitud de la biopelícula,  y de sus colonias. Los resultados
se  reportaban  en  Unidades  Formadoras  de  Colonias  en  área  (UFC/cm2)  por  el  Laboratorio  de
Microbiología Ambiental de la Universidad de los Andes. Se decidió conservar este método con el fin de
obtener resultados más precisos, en la medida que sea posible y se facilite (Trujillo Gómez, 2011).

A continuación, en la Figura15, se muestran los testigos que se extrajeron para pesar y realizar el
raspado.

Figura15Extracción de testigos.

5.7. Determinación de pérdidas por fricción en las tuberías

Una de las principales implicaciones de las biopelículas en el comportamiento hidráulico de las tuberías
se evidencia en las pérdidas por fricción, que fueron medidas registrando las alturas piezométricas que
se alcanzan cuando el montaje está corriendo. Esto permitió cuantificar las implicaciones o los efectos
que tienen las diferentes velocidades de flujo aplicadas a cada tubería en la formación y desarrollo de la
biopelícula. En el presente proyecto se utilizó un procedimiento experimental implementado en trabajos
anteriores para poder hacer una comparación entre resultados. En el Diagrama 3se describe la rutina de
trabajo semanal.

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Diagrama 3 Procedimiento para el registro de las pérdidas por fricción en el montaje.

Para calcular la subcapa laminar viscosa se usan los datos obtenidos de las alturas piezométricas, así
como la temperatura, el tiempo en que se realiza la medición y la altura de cada vertedero. Esta variable
se tiene en cuenta como indicativo del comportamiento hidráulico de los microorganismos dentro de las
tuberías; estas mediciones se hicieron con el fin de registrar los resultados en un diagrama de Moody, y
complementar los resultados obtenidos por María Ximena Trujillo en el 2011 y Tatiana Vargas en el
2012.

El caudal se determina de la calibración de los vertederos y el área corresponde a

. Otra de las

ecuaciones que se implementan es la de Darcy-Weisbach para el factor de fricción y la ecuación de
Colebrook-White para determinar la rugosidad absoluta.

A continuación, en el Diagrama 4, se muestra el orden en el que se calcularon los parámetros hidráulicos
para cada medición y las ecuaciones que se utilizaron en el cálculo. Este procedimiento se sigue para

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cada tubería teniendo como datos de entrada las alturas de los vertederos antes y después de encender
la bomba, las temperaturas, y las alturas piezométricas registradas en cada medición.

Diagrama 4 Procedimiento iterativo para la determinación hidráulica.

El procedimiento para el cálculo de los componentes hidráulicos dentro de las tuberías se ilustra con un
ejemplo en el Anexo 1. En el Anexo 2 se pueden encontrar los registros de los cálculos realizados para el
presente proyecto.

5.8. Medidas fisicoquímicas

Se realizó un registro diario del nivel de cloro y del pH, del montaje, con un colorímetro para cloro libre
por comparación de color, como se muestra en la Figura 16.

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Figura 16 Colorímetro por comparación de color para cloro libre.

5.9. Control Cualitativo a la formación y el desarrollo de biopelículas.

Para  tener  un  registro  completo  del  crecimiento,  desarrollo  y  desprendimiento  de  las  biopelículas,  se
mantuvo  un  seguimiento  visual,  mediante  las  tuberías  de  vidrio  antes  descritas.  Adicionalmente  se
seleccionaron  algunos  testigos  de  centro  a  los  cuales  se  le  hizo  un  raspado  con  escobillones  para
determinar las Unidades Formadoras de Colonias en área (UFC/cm

) como se mencionó anteriormente.

5.10.

Comparación con trabajos anteriores

Los resultados del presente proyecto serán comparados con los obtenidos por Tatiana Vargas y María
Ximena Trujillo. Esto con el fin de estimar los efectos de más de un año de recirculación en el montaje
utilizado en los tres trabajos a comparar.

Los resultados que se van a comparar son la velocidad de crecimiento y el espesor de las biopelículas,
los diagramas de Moody y la influencia de las biopelículas en la tubería de acuerdo con la fuente de
CODB, consistente en los tres trabajos.

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6. RESULTADOS

Para  poder  realizar  un  análisis  pertinente  sobre  el  desarrollo  de  las  biopelículas  en  sistemas  de
distribución  de  agua  potable,  se  abordaron  dos  tipos  de  análisis,  uno  cuantitativo  y  otro  cualitativo
sobre el crecimiento y desprendimiento de las películas biológicas. En el presente estudio se realizó un
análisis  de  los  datos  obtenidos  en  la  presente  investigación  y  de    los  resultados  reportados  con
anterioridad,  para  hacer  una  comparación  y  un  análisis  completo.  Se  tuvieron      en  cuenta  los  datos
obtenidos por Trujillo en el 2011 y Vargas en el 2012.

6.1. Análisis cuantitativo

Los resultados expuestos a continuación se registraron durante un periodo comprendido entre los  398
días de recirculación hasta los 496 días. Este periodo  comenzó el 31 de Enero del 2013 y finalizó  el 25
de Mayo de 2013, es decir que el estudio abarcó 4 meses y medio de mediciones.

6.1.1. Pruebas físico-químicas

Dentro de las pruebas físico químicas que se realizaron durante el periodo de mediciones se controlaron
los parámetros de pH y cloro residual que se midieron semanalmente en el montaje, para verificar que
la concentración de cloro residual libre se mantuviera entre 0,5 y 2,0 mg/L, de acuerdo con la Resolución
2115 de 2007 del Ministerio de la Protección Social y el Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo
Territorial, y de acuerdo con las condiciones reales que se presentan en sistema de distribución de agua
potable.

Los resultados de los análisis para pH se mantuvieron entre 7.6 y 7.8, un rango menor que el registrado
por Vargas (2012). El cloro por su parte se mantuvo constante durante las primeras semanas, pero el 14
de Marzo se recalculó la cantidad de cloro que se debía agregar al sistema, ya que se obtuvieron valores
muy altos de cloro en las mediciones.

Estos resultados se pueden apreciar mejor en la Gráfica 1y la Gráfica 2mostradas a continuación.

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Gráfica 1 Cloro residual en el sistema de recirculación.

Gráfica 2 pH residual en el sistema de recirculación

Con el fin de controlar la proliferación y el desarrollo de bacterias y microorganismos en las redes de
distribución, se deben controlar los parámetros fisicoquímicos en la red, pues existen bacterias
patógenas cuyo crecimiento es potenciado por un pH ácido o básico.

6.1.2. Pruebas microbiológicas: Conteo de Unidades Formadoras de Colonias

A lo largo de los cinco meses de recirculación se tomaron tres recuentos, mediante el método
Escobillón; el primero se realizó el 12 de Abril, el segundo el 26 de Abril del 2013 y el último el 17 de
Mayo del 2013. Estas pruebas fueron tomadas en uno de los testigos de centro para cada tubería; los

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testigos fueron elegidos de acuerdo con la agenda que se elaboró al inicio del proyecto para la
extracción de los testigos.

En  Abril se evaluaron los testigos de centro número 10, El 17 de febrero se muestrearon los testigos de
centro  número 5,  y  el 9  de  Mayo   se  muestrearon  los  testigos  de  centro  número 1.  Estos testigos  de
centro  fueron  los  que  presentaron  visualmente  un  mayor  número  de  microorganismos  entre  los
extraídos para dichos  días.

Los resultados del recuento se reportaron en unidades formadoras de colonias por área de testigo; los
recuentos son comparables, puesto que todas las áreas son iguales. En la Gráfica 3 se muestran los
resultados obtenidos en las mediciones.

Gráfica 3 Recuento en placa para análisis de mesófilos.

Se evidencia un decrecimiento en las bacterias presentes en las biopelículas a lo largo del tiempo, en las
tres tuberías. La tubería de velocidad media es la que presenta un mayor recuento de bacterias; la
tubería de mayor velocidad presenta la menor carga bacteriana, lo que era de esperarse a causa de la
dificultad que representa una velocidad de flujo alta para las bacterias pioneras al momento de
adherirse a la tubería. Por último la tubería de menor velocidad fue la que presentó un valor de UFC/28
cm

medio. En el día 475 se presentó una variación de la tendencia antes descrita pues la tubería de

menor velocidad es la que menos carga bacteriana presenta.

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6.1.3. Testigos de Borde

Semanalmente se desmontaron los testigos de borde de cada tubería;  en cada una solo hubo un testigo
ubicado  cerca  a  los  vertederos  por  lo  que  la  magnitud  de  los  errores  debidos  al  procedimiento  de
manipulación,  es  mayor  en  estos  a  diferencia  de  los  testigos  de  centro;    los  últimos  representan  un
parámetro más confiable para  la  realización  del  análisis  y  la  evaluación  del  comportamiento  debido  a
que se extrae un par diferente cada semana.

Para determinar el espesor de las biopelículas en cada tubería, se pesaron los testigos en una balanza
con un nivel de precisión de cuatro cifras decimales. Los posibles errores   asociados con el cálculo, se
disminuyeron con la calibración de los instrumentos y el establecimiento de un tiempo para la remoción
del exceso de agua con el fin de evitar la alteración de los resultados, debido a la  tasa de evaporación
presentada.

A continuación se muestra la variación de los espesores de la biopelícula en función a la velocidad.

Tabla 3 Espesor y velocidad de crecimiento de la biopelícula formada en la tubería con velocidad de 1m/s.

TUBERÍA 1

Peso inicial (g)

69,4591

Fecha

Días

Peso

Biomasa

Espesor

Velocidad crecimiento

(dd/mes)

(-)

(kg/m

)

(g)

(μm)

(μm/día)

07/02/2013

398,00

996,968 71,2756

1,8165 455,5061

1,144487675

14/02/2013

405,00

997,205

71,288

1,8289 458,5065

0,428633037

21/02/2013

412,00

997,735

71,372

1,9129 479,3106

2,972016122

28/02/2013

419,00

997,355 71,3114

1,8523 464,3031

-2,143936706

07/03/2013

426,00

997,155 71,2839

1,8248 457,5016

-0,971641375

14/03/2013

433,00 997,5985 71,2938

1,8347 459,7792

0,325366803

21/03/2013

440,00

997,13

71,29

1,83

459,47

-0,044354936

04/04/2013

454,00

997,548 71,3457

1,8866 472,8093

0,952903813

11/04/2013

461,00 997,2304 71,3019

1,8428 461,9795

-1,547118579

18/04/2013

468,00 997,29005 71,2832

1,8241 457,2642

-0,673619212

25/04/2013

475,00

997,308 71,2628

1,8037 452,1422

-0,731713889

02/05/2013

482,00

997,548 71,2991

1,84 461,1307

1,284075106

09/05/2013

489,00

996,779 71,3083

1,8492 463,7939

0,380455376

La Tabla 3 muestra que en las primeras semanas de medición se presentó un crecimiento del espesor de
la  biopelícula  debido  a  que  se  suministró  un  nuevo  costal  de  pasto.  Esto  evidencia  la  relación  directa
entre la velocidad de crecimiento de la película biológica y la cantidad y calidad del nutriente presente
en el agua. Por el contrario en los días 419, 426, 440, 461, 468, y 475 se presentaron decrecimientos en
la  velocidad  de  formación  de  las  biopelículas,  lo  que  traduce  en  una  disminución  del  espesor  de  la
misma.  Del día 461 al 475 no se cambió el pasto con la frecuencia de las primeras semanas, por lo que

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se dió un decrecimiento paulatino y posible desprendimiento de la película biológica relacionado con la
disminución de sustrato.

Tabla 4 Espesor y velocidad de crecimiento de biopelícula formada en tubería con velocidad de 3 m/s.

TUBERÍA 2

Peso inicial (g)

67,8272

Fecha

Días

Peso Biomasa Espesor

Velocidad crecimiento

(dd/mes)

(-)

(kg/m

)

(g)

(μm)

(μm/día)

07/02/2013

398,00

997,38 68,8272

1 250,6567

0,629790755

14/02/2013

405,00 997,255 68,8229

0,9957 249,6102

-0,149505809

21/02/2013

412,00

998,09 68,8888

1,0616 265,9079

2,328243445

28/02/2013

419,00 997,4222 68,7104

0,8832 221,3706

-6,362462114

07/03/2013

426,00 997,836 68,819

0,9918 248,4877

3,873868312

14/03/2013

433,00 997,5985 68,839

1,0118 253,5589

0,72445633

21/03/2013

440,00

997,18 68,8221

0,9949 249,4284

-0,590076242

04/04/2013

454,00 9,98E+02 68,8079

0,9807 2,46E+02

-0,259922455

11/04/2013

461,00 997,2304 68,7252

0,898 225,1235

-2,952281662

18/04/2013

468,00

997,29 68,488

0,6608 165,6489

-8,49637164

25/04/2013

475,00 997,308 68,3501

0,5229 131,0779

-4,938719852

02/05/2013

482,00 997,524 68,6869

0,8597 215,4585

12,05437337

09/05/2013

489,00 996,806 68,6926

0,8654 217,0432

0,226394416

La Tabla 4 muestra que en la tubería de mayor  velocidad se presentaron cambios más drásticos en la
velocidad  de  desarrollo.    En  los  días  426  y  482  se  observaron    días  de  crecimiento  importante  en  el
espesor de la película, mientras que los patrones de decrecimiento en los días 419, 461, 468, y 475 son
acelerados,  pues  se  disminuye  mucho  el  espesor  de  la  misma.  Se  observa  el  mismo  patrón  de
decrecimiento, por la falta de nutrientes, que en la tubería 1, por lo que se evidencia la importancia del
sustrato en el desarrollo de la biopelícula, y la influencia de la velocidad de flujo en la magnitud de la
variación de la velocidad de desarrollo de las biopelículas.

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Tabla 5 Espesor y velocidad de crecimiento de biopelícula formada en la tubería con velocidad de 2 m/s.

TUBERÍA 3

Peso inicial (g)

67,426

Fecha

Días

Peso Biomasa Espesor

Velocidad crecimiento

(dd/mes)

(-)

(kg/m

)

(g)

(μm)

(μm/día)

07/02/2013

398,00 997,5233 68,6515

1,2255 307,1357

0,771697696

14/02/2013

405,00 997,4248 68,7266

1,3006 325,9895

2,693400741

21/02/2013

412,00 997,6555 68,8154

1,3894 348,1663

3,168112529

28/02/2013

419,00 997,4222 68,7104

1,2844 321,9299

-3,748057859

07/03/2013

426,00 997,836 68,6356

1,2096 303,0558

-2,696294006

14/03/2013

433,00 997,5985 68,7151

1,2891 323,0508

2,856427676

21/03/2013

440,00

997,23 68,698

1,272 318,8833

-0,595357107

04/04/2013

454,00 9,97E+02 68,7538

1,3278

332,798

0,993904462

11/04/2013

461,00 997,2304 68,6272

1,2012

301,134

-4,523421206

18/04/2013

468,00

997,29 68,6244

1,1984 300,4141

-0,10284471

25/04/2013

475,00 997,308 68,5825

1,1565 289,9054

-1,501240344

02/05/2013

482,00 997,548 68,658

1,232 308,7571

2,693092419

09/05/2013

489,00 996,833 68,7079

1,2819 321,4932

1,819442361

En la Tabla 5 se observa que en los días señalados anteriormente, se presentó  la misma tendencia de
decrecimiento en el desarrollo tradicional de la biopelícula. Puesto que el ciclo de crecimiento en las tres
tuberías presenta un patrón similar bajo diferentes velocidades de flujo, se entiende que los nutrientes
representan un factor importante en el crecimiento o decrecimiento del espesor de la biopelícula. Por
otro lado los regímenes de flujo influencian los rangos de variación de la velocidad, siendo las tuberías
con  mayor  y  menor  velocidad  de  flujo  las  que  presentan  la  mayor  variación.  La  formación  y  el
desprendimiento de estas presentan una mayor sensibilidad bajo velocidades de flujo altas y bajas.

En la Gráfica 4 y la Gráfica 5se muestra el comportamiento del espesor en las tres tuberías y se
evidencia cual presenta un mayor espesor y por tanto el desarrollo es más favorable.

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Gráfica 4 Espesor de biopelículas formadas en el montaje

Se observa que el desarrollo de la biopelícula se ve favorecido por menores velocidades de flujo y que
los espesores en las tuberías 2 y 3, presentan una mayor cercanía entre sí, que el mostrado por las
tuberías 1 y 2.

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Gráfica 5 Velocidad de crecimiento del espesor de la biopelícula en cada tubería.

En la Gráfica 5 se muestra   la dinámica de crecimiento que se presenta  en las tablas. El crecimiento y
decrecimiento  de  la  biopelícula  es  mayor  para  la  tubería  2  en  donde  se  tiene  una  velocidad  de  flujo
mayor. La tubería que presenta cambios menos bruscos en la velocidad de crecimiento del espesor de la
película  biológica,  es  la  1  por  lo  que  se  entiende    que  la  velocidad  de  flujo  no  es  directamente
proporcional a la velocidad de crecimiento de las biopelículas.

6.1.4. Testigos de Centro

Los testigos de centro fueron retirados por pares cada semana, desde el número 24 hasta llegar al
número 1. La extracción comenzó el 7 de Febrero del 2013 y finalizó el 1 de Mayo del mismo año.

Estos testigos son un buen indicativo para la cuantificación del crecimiento de las biopelículas, debido a
que sólo se retiraron del montaje una vez para realizar las respectivas mediciones. Además caracterizan
la  influencia  de  la  película  biológica  en  el  medio  y  en  el  comportamiento  hidráulico  del  sistema  de
abastecimiento.  En  el  presente  análisis  se  caracterizó  la  subcapa  laminar  viscosa  de  acuerdo  con  el
coeficiente de rugosidad, que varía por la presencia de los microorganismos en la red.

En el trabajo realizado por María Ximena Trujillo se mostró la geometría de los testigos de centro,
obteniéndose una longitud de 7 centímetros y un ancho de 4 centímetros. El comportamiento en un

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Proyecto de grado

punto dentro de la tubería, está determinado por el promedio de las medidas de los dos testigos que se
extrajeron cada semana.

Los resultados del espesor de la biopelícula, la subcapa laminar viscosa y la rugosidad en la primera
tubería; se muestran en la Tabla 6.

Tabla 6 Comportamiento de la biopelícula en testigos de centro para la tubería 1 (velocidad de flujo 1 m/s).

Como se observa en esta tabla, los testigos que se encuentran aguas arriba del montaje, los de mayor
numeración, presentan un mayor espesor de la biopelícula y por ende la formación de biopelícula más
importante se presentó en los testigos número 24 y 23. A pesar de que los testigos de aguas abajo se
midieron posteriormente y estuvieron sometidos a un mayor tiempo de recirculación, la formación de
biopelícula  no  fue  tan  alta  como  en  los  mencionados  anteriormente,  lo  que  indica  que  estos  últimos
presentan  formaciones  jóvenes,  ya  sea  por  desprendimiento  o  por  los  periodos  de  disminución  de
nutrientes que no habían ocurrido cuando se midieron los testigos aguas arriba.

El comportamiento de la tubería 1 muestra una tendencia a que la subcapa laminar viscosa exceda
siempre el espesor de la biopelícula desarrollada.

A continuación se muestra el comportamiento de las biopelículas en los testigos de centro para la
tubería de PVC a 3 metros por segundo.

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Laura Tamayo

Proyecto de grado

Tabla 7 Comportamiento de la biopelícula en testigos de centro para la tubería 2 (velocidad de flujo 3m/s).

En esta tubería se presentan valores menores de espesor de biopelícula que para la tubería anterior,
por lo que se concluye que a menor velocidad se potencia un mejor desarrollo y mejores condiciones
para la formación de las mismas, pues como se observa en laTabla 7 los espesores, a groso modo, son
menores a los determinados en la Tabla 6.

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Proyecto de grado

Tabla 8 Comportamiento de la biopelícula en testigos de centro de la tubería 3 (velocidad de flujo 2m/s).

En la Tabla 8 se puede observar que la tendencia es que la subcapa laminar viscosa excede el espesor
de la biopelícula desarrollada, en la mayoría de los casos; este comportamiento es recurrente en las tres
tuberías.

Se observa que los valores de la subcapa laminar viscosa en las primeras semanas de medición, es
considerablemente mayor al registrados en semanas posteriores. Esto se puede atribuir a la disminución
de la frecuencia y calidad de los nutrientes suministrados, pero concuerda con los datos obtenidos para
los testigos de centro.

En la Gráfica 6 mostrada a continuación, se observa el comportamiento del espesor de la biopelícula
para cada tubería.

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Laura Tamayo

Proyecto de grado

Gráfica 6 Espesor de biopelículas desarrolladas en los testigos de centro.

Para las tres velocidades manejadas en el montaje se tuvo un comportamiento similar, ya que los
espesores fluctúan, relativamente, bajo los mismos rangos.

Se observa que al inicio de las mediciones la biopelícula de mayor espesor era la de menor velocidad;
consecuentemente  la  de  menor  espesor  era  la  de  mayor  velocidad.  Sin  embargo,  a  medida  que
transcurrieron  los  días  el  desarrollo  de  la  película  biológica  comenzó  a  fluctuar  y  a  disminuir  por  la
ausencia de sustrato, el espesor de  la biopelícula de la tubería con v=3 m/s  presentó  una tendencia a
aumentar, mientras que la de la velocidad media (2m/s), decayó en la primera mitad del tiempo y tuvo
un  comportamiento  fluctuante  la  otra  mitad.    Se  concluye  que  el  espesor  de  la  biopelícula  no  tiene
ninguna relación con la velocidad de flujo, pues la película biológica presente en las tuberías 1  y 2, es
muy similar.

6.1.5. Relación entre el espesor de la subcapa laminar viscosa, el espesor de la biopelícula y

la rugosidad relativa

En  los  testigos  de  centro  se  realizó  un  análisis  más  exacto  acerca  de  la  influencia  del  espesor  de  la
biopelícula  en  la  rugosidad  relativa  de  la  tubería  y  de  la  consecuente  influencia  en  la  hidráulica  del
sistema.  Lo  anterior  debido  a  que  estos  no  fueron  extraídos  semanalmente,  lo  que  hizo    que  se
disminuyera el error aleatorio asociado con la toma de datos en proyectos experimentales.

En la Gráfica 7, mostrada a continuación, se muestra la comparación del espesor de la subcapa laminar
viscosa, el espesor de la biopelícula y la rugosidad relativa.

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Laura Tamayo

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Gráfica 7 Relación entre el espesor de la biopelícula, la subcapa laminar viscosa y la rugosidad relativa de la tubería 1.

En la Gráfica 7 se  observa que la rugosidad absoluta, ks, se mantiene casi constante en la primera mitad
del periodo de muestreo, mientras que en la otra mitad se presenta una fluctuación en los valores que
toma la misma.   Al comparar la rugosidad con el espesor de  la subcapa laminar viscosa, se  puede ver
que  el  flujo  es  turbulento  hidráulicamente  liso  debido  a  que  la  subcapa  laminar  es  mayor  que  la
rugosidad, lo que produce una turbulencia completa.

La magnitud  de  la  rugosidad  relativa  se  encuentra  fuertemente  influenciada  por  la  velocidad  de  flujo,
pues los rangos que llega a tomar esta variable son mayores y menores a medida que la velocidad de
flujo  aumenta,  en  comparación  con  velocidades  menores.  En  el    día  461  la  tubería  presentó  una
rugosidad elevada,  mostrada en la gráfica anterior por un pico.

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Gráfica 8 Relación entre el espesor de la biopelícula, la subcapa laminar viscosa y la rugosidad relativa de la tubería 2.

En la Gráfica 8se observa que la los valores que toma la rugosidad en la tubería 2 son mucho  mayores,
llegando hasta a 1200 μm, y menores, alcanzando los  210 μm. La tendencia de fluctuación de ks es más
notable  en  esta  tubería,  aunque  el  espesor  de  la  biopelícula  y  de  la  subcapa  laminar  viscosa,  por  su
parte, se mantienen relativamente constantes.

En las primeras semanas de medición se presentó un aumento en la subcapa laminar viscosa en las tres
tuberías, que pudo ser ocasionado por cambios en los regímenes de flujo. Se presentó un cambio en el
régimen de flujo el día 440 en las tres tuberías para ajustar el caudal, al inicialmente medido.

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Gráfica 9 Relación entre el espesor de la biopelícula, la subcapa laminar viscosa y la rugosidad relativa de la tubería 3.

La Gráfica 9 muestra que en la tubería tres se observa que aunque que la rugosidad excede a la subcapa
laminar viscosa, que a la vez supera al espesor promedio, al igual que en las otras dos tuberías, el
espesor de la subcapa laminar viscosa no está muy lejos de alcanzar el tamaño de ks. Adicionalmente se
infiere que los desprendimientos masivos producidos en las tuberías se presentaron durante las
semanas que disminuyo el sustrato disponible.

Gráfica 10 Relación entre la rugosidad de la tubería y el Número de Reynolds en las tres tuberías.

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En la Gráfica 10 se observa que uno de los efectos hidráulicos importantes que tiene la biopelícula en
las tuberías de distribución de agua potable, es el aumento del valor de la rugosidad absoluta, pues en
todos los valores de rugosidad siempre es superior a 1,5 µm que sería la del PVC sin biopelícula. Esto
también lo identifico Latorre (2004) y Trujillo (2012).

6.1.6. Efectos de la biopelícula en las pérdidas por fricción dentro de las tuberías

La medición de las pérdidas por fricción se realizó desde el 31 de Enero del 2013 hasta el 24 de Mayo del
mismo año. Estas mediciones se realizaron con el fin de determinar todas las características hidráulicas
necesarias para establecer el factor de fricción y el régimen de flujo que se presenta en cada tubería.

Las mediciones de las pérdidas de energía o la caída en las líneas piezométricas a lo largo de la longitud
(L), se realizó mediante la lectura de los piezómetros aguas arriba y aguas abajo de la tubería. Con esos
datos se determinó  el caudal, la altura del vertedero, y la temperatura que permitieron establecer las
pérdidas  por  fricción,  como  se  muestra  en  el  Anexo  1.  Adicionalmente  se  calcularon  los  esfuerzos
cortantes  en las tuberías, la velocidad de corte, la subcapa laminar viscosa y el tipo de flujo presente,
con el fin de determinar la relación existente entre el espesor de la biopelícula, la rugosidad relativa y el
espesor de la subcapa laminar viscosa en el análisis presentado anteriormente en el documento.

El factor de fricción y el número de Reynolds se determinaron con los factores que se midieron
experimentalmente y se procedió a graficar estas variables en el diagrama de Moody, con el objetivo de
identificar la influencia de las biopelículas en el comportamiento de la rugosidad relativa en las tuberías
representadas por las líneas de Moody.

6.1.6.1.

Diagrama de Moody

A continuación se muestran las gráficas del Diagrama de Moody para las tres tuberías con velocidades
diferentes.

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Gráfica 11 Diagrama de Moody para la tubería con velocidad de 1 m/s.

La Gráfica 11muestra la variación del factor de fricción de Darcy-Weisbach con respecto al número de
Reynolds, durante 98 días para la tubería con v=1 m/s. Aunque se presenta una tendencia en los datos,
el factor de fricción no sigue la forma convencional del Diagrama de Moody ya que presentan algunos
saltos en las curvas. Se evidencia que la variación de los factores de fricción alcanzados es alta y se
alcanzan límites superioresa medida que el número de Reynolds disminuye. También se observa que el
cociente de la rugosidad sobre el diámetro presento un valor mínimo de 0.002 hasta alcanzar valores de
0.03.

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Gráfica 12 Diagrama de Moody para la tubería con velocidad de 3 m/s.

En la Gráfica 12 se observa un rango mayor del cociente de la rugosidad sobre el diámetro mínimo que
el  de  la  tubería  1.  En  esta  tubería  se  evidencia  más  claramente  que  con  el  aumento  del  número  de
Reynolds se disminuye el factor de fricción.  Los factores de fricción presentados en esta tubería son, en
general, mayores  a  los  presentados  en  las  tuberías  de  menor  velocidad,  aunque  se  presentan  días  en
que  las  mediciones  reflejan  la  propiedad  que  tienen  las  biopelículas  de  absorber  y  liberar  energía  del
flujo gracias a sus propiedades visco-elásticas, lo que hace que se presenten  saltos significativos en los
datos observados (Picologlou, Zelver, & Characklis, 1980).

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Gráfica 13 Diagrama de Moody para la tubería con velocidad de 2 m/s.

En la tubería 3 se presenta la misma tendencia de aumento del factor de fricción que se le puede
atribuir a la biopelícula que contribuye a este aumento, pues la estructura filamentosa de la misma
aumenta la resistencia del flujo con el aumento del número de Reynolds.

6.1.6.2.

Efecto de la disminución de sustrato en el factor de fricción

A continuación, en la Gráfica 14, Gráfica 15 y Gráfica 16, se muestran los cambios que se presentaron en
los  factores  de  fricción  durante  las  tres  semanas  en  que  no  se  cambió  el  pasto,  disminuyendo  así  la
cantidad de  sustrato disponible para el desarrollo que  venían teniendo las biopelículas hasta la fecha.
Esta alteración en el curso normal del proyecto experimental, tuvo el mayor impacto entre los días 475 y
482,  por  lo  que  se  analizaron  los  factores  de  fricción  obtenidos  contra  los  números  de  Reynolds
establecido en las mediciones de las respectivas fechas.

Por último se observa que la relación entre el tiempo y el factor de fricción es proporcional a ya que con
el transcurso del tiempo de recirculación se obtienen factores de fricción más altos; también se escala
en las curvas representadas por el cociente de rugosidad y diámetro de la tubería, características del
diagrama de Moody.

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Gráfica 14 Relación del factor de fricción y el número de Reynolds en los días 475 y 482 en la tubería 1.

La tendencia que se presenta en estos días en las tuberías de menor velocidad es muy similar, pero en el
día 482, semana en la cual se colocó nuevo pasto en el montaje, se observa un aumento en el factor de
fricción reflejado en la línea de tendencia de los datos. La pérdida de atura íezométrica en la
tubería debida a la fricción se puede explicar por la disminución del espesor de la biopelícula que se dio
en los días 468 y 475 a causa de la falta de sustrato.

Gráfica 15 Relación del factor de fricción y el número de Reynolds en los días 475 y 482 en la tubería 2.

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Proyecto de grado

Para la tubería de mayor velocidad se evidencia con más claridad, el efecto de la disminución del
sustrato en el montaje. Aunque se tiene una línea de pendiente de magnitud cercana de acuerdo a la
línea de tendencia de las dos series de datos, el factor de fricción aumentó cuando se cambió el pasto.

Gráfica 16 Relación del factor de fricción y el número de Reynolds en los días 475 y 482 en la tubería 3

Los valores  del día 468 de recirculación se encuentran por debajo que los obtenidos en el día 475. Se
observa entonces como a medida que aumenta la velocidad, el impacto en el crecimiento y espesor de
la  biopelícula  es  más  fuerte;  esto  se  puede  atribuir  a    que  con  el  aumento  de  velocidad  se  tienen
desprendimientos mayores, más que la de la   influencia del factores de ficción dentro de las tuberías.

Se observa también como la biopelícula afecta el comportamiento del factor de fricción con respecto al
número de Reynolds a causa de la perturbación de estructura filamentosa de la misma, que contribuye
al aumento de la resistencia del flujo. Con mayor velocidad de flujo se estimulan en mayor medida los
filamentos presentes en la película biológica.

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Ilustración 7 Factor de fricción para Reynolds de 170000 para tubería 1.

Ilustración 8 Factor de fricción para Reynolds de 170000 para tubería 2.

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Proyecto de grado

Ilustración 9 Factor de fricción para Reynolds de 170000 para tubería 3.

Las ilustraciones 7, 8 y 9 muestran que el factor de fricción presenta una tendencia global a aumentar
con el paso de los días. Los saltos o fluctuaciones del mismo se deben a desprendimientos de la
biopelícula por efectos del esfuerzo cortante del flujo. Se presentan ciertos picos bajos en los días en
que hubo limitación de nutrientes, por no cambiar el costal de pasto, y se evidencia un pico en las tres
tuberías en las semanas cuando se cambió el costal después del periodo en que no se cambió el costal.

6.2. Análisis cualitativo

Se realizó un análisis mediante el método de comparación visual utilizando el registro fotográfico de las
tuberías de vidrio. Se evalúa la propiedad organoléptica del color del agua, que aunque no representa la
evolución de la biopelícula sino los efectos del cambio de los costales de pasto, es un indicativo de la
calidad del agua que es distribuida en las redes de agua potable. Es necesario que el agua distribuida por
el acueducto presente un color, olor, turbiedad y apariencias deseables para procurar la satisfacción de
los usuarios.

Tabla 9 Registro fotográfico tuberías de vidrio.

Registro fotográfico

Velocidad y días de
recirculación

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7 de Febrero
Velocidad: 1 m/s

14 de Febrero
Velocidad: 1m/s

21 de Febrero
Velocidad: 2 m/s

28 de Febrero
Velocidad: 2 m/s

7 de Marzo
Velocidad : 2m/s

14 de Marzo
Velocidad: 1m/s

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Proyecto de grado

21de Marzo
Velocidad: 2m/s

4 de Abril
Velocidad: 1m/s

11 de Abril
Velocidad :2m/s

18 de Abril
Velocidad :1m/s

25 de Abril
Velocidad :2 m/s

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Proyecto de grado

2 de Mayo
Velocidad :2 m/s

9 de Mayo
Velocidad :2 m/s

En el registro fotográfico se pueden observar las imágenes que muestran más claramente los cambios
en  el  color  de  la  tubería  y  el  material  adherido  a  las  paredes  del  tubo  de  vidrio.  El  tubo  que  mejor
evidenció  estos cambios  fue  el correspondiente a la menor velocidad. Se observa que  los días en que
más  cambio  de  color  hubo  fueron  los  días  cercanos al  cambio  del costal  de  pasto;  sin  embargo  no  se
puede evidenciar cambios significativos en el desarrollo de biopelículas en la tubería de vidrio. Los días
en que se observaron mayores coloraciones y presencia de biopelícula fueron en los 440 y 454 días de
recirculación, correspondientes a las fechas de 21 de Marzo y 4 de Abril de 2013.

6.3. Análisis comparativo con estudios anteriores

El presente proyecto se realizó con la finalidad de extender el proyecto de medición que comenzó
Trujillo en el 2011 y continuó Vargas en el 2012. Con el fin de evaluar la dinámica de crecimiento y
desprendimiento de las biopelículas en el sistema de recirculación alimentado con pasto como fuente de
CODB, se recrearon las condiciones de cloro residual, velocidad de flujo y procedimiento para realizar las
mediciones, para elaborar una comparación y contribución a los proyectos antes mencionados.

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6.3.1. Conteo de Unidades formadoras de Colonia

Gráfica 17 Recuento en placa para análisis de mesófilos.

En la Gráfica 17 se puede apreciar que las mediciones más altas se tuvieron los primeros días de
recirculación del montaje; se puede inferir que la ausencia de sustrato y el efecto tóxico de la cloración
es muy significativo, pues en los días de altos conteos se realizó el cambio de costal de pasto después de
un periodo largo de no contar con sustrato de calidad. Adicionalmente se observa que en los tres ciclos
el efecto tóxico de la cloración continúa a lo largo del período de recirculación ya que se vio afectada
considerablemente la formación de biopelícula en las tres tuberías.

Esto respalda lo concluido por María Ximena Trujillo en la tesis de “Modelación física de biopelículas en
redes de distribución de agua potable alimentadas con carbono orgánico disuelto.” que planteó que sí
es posible prevenir la formación de biopelículas en los sistemas de distribución de agua potable,
minimizando la entrada de materia orgánica biodegradable a la red de distribución y manteniendo la
concentración recomendada de desinfectante.

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6.3.2. Comparación de la rugosidad absoluta, los espesores de la biopelícula y la subcapa

laminar en cada tubería

Gráfica 18 Continuación datos de Trujillo y Vargas del espesor promedio, rugosidad y espesor de la subcapa laminar testigos

de centro de la tubería 1.

La Gráfica 18 muestra que en los primeros días de mediciónla rugosidad es menor que  el espesor de la
subcapa laminar viscosa, por lo que se maneja un flujo turbulento hidráulicamente liso, aunque cuenta
con  algunos  segmentos  que  corresponden  a  flujo  turbulento  transicional.  Con  el  paso  de  los  días  se
observa  como  el  flujo  se  transforma  en  turbulento  hidráulicamente  rugoso,  pues  a  partir  del  día  104
Vargas (2012) calculó  una rugosidad mayor que el espesor de la subcapa laminar.

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Gráfica 19 Continuación datos de Trujillo y Vargas del espesor promedio, rugosidad y espesor de la subcapa laminar testigos

de centro de la tubería 2.

En la Gráfica 19 se puede observar como la magnitud de la rugosidad relativa se encuentra influenciada
por la velocidad de flujo, ya que se alcanzan valores más altos de rugosidad en la tubería 2 (3 m/s). Para
el  espesor de la biopelícula y  de la subcapa laminar viscosa no se evidencia una influencia importante
de  la  velocidad.  El  espesor  de  la  subcapa  laminar  se  mantuvo  relativamente  constante  durante  la
totalidad de días durante los cuales  se realizaron las mediciones, aunque  se  presentaron picos en los
días que cambiaron las condiciones de flujo o de concentración de sustrato.

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Gráfica 20 Continuación datos de Trujillo y Vargas del espesor promedio, rugosidad y espesor de la subcapa laminar testigos

de centro de la tubería 3.

En tres tuberías se observa que la rugosidad excede a la subcapa laminar viscosa; está a su vez es mayor,
en la mayoría del tiempo, que el espesor promedio de la tubería. Se concluye que los desprendimientos
tienen un comportamiento similar al de la rugosidad pues los picos y mínimos de ambas variables se
dan en los mismos días.

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6.3.3. Comparación de espesores de testigos de centro

Gráfica 21 Datos de Trujillo, Vargas y Tamayo de espesor promedio testigos de centro.

Se observa en la Gráfica 21 que la tendencia de crecimiento de las biopelículas se mantuvo  constante;
globalmente se observa que la tubería que mayor espesor presenta, es la de menor velocidad, seguida
por  la  de  velocidad  media  y  por  último  la  tubería  con  mayor  velocidad.  Los  saltos  de  espesor  que  se
presentan  en  los  días  160  y  406  corresponden  al  cambio  del  orden  de  los  testigos  de  borde,  pues  se
comienzan las mediciones nuevamente de los testigos aguas arriba que presentaron un espesor mayor a
los testigos de borde aguas abajo.

Gráfica 22 Datos de Trujillo, Vargas y Tamayo de espesor promedio testigos de borde.

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En la Gráfica 22 se observa que en los primeros días de medición el desarrollo de la biopelícula fue más
lento  en  la  tubería  de  mayor  velocidad,  pero  una  vez  formada  se  mantuvo  el  espesor  sin  caídas
repentinas,  lo  que  puede  ser  explicado  por  que  a  velocidades  de  flujo  mayores  se  incrementa  la
transferencia  de  masa  entre  el  flujo  y  la  biopelícula,  permitiéndole  a  ésta  entrar  en  contacto  con
nutrientes  limitantes  del  crecimiento.  Sin  embargo  se  observó  que  en  la  última  etapa  de  medición  el
desprendimiento de la biopelícula ocurre con más facilidad en la tubería de mayor velocidad.

Gráfica 23 Datos de Trujillo, Vargas y Tamayo de velocidad de crecimiento del espesor de la biopelícula en testigos de borde

En  la  Gráfica  23la  tasa  de  cambio  del  espesor  de  la  biopelícula  en  los  primeros  días  muestra  que  la
tubería con v=1,5 m/s fue la que presentó un mayor crecimiento inicial, mientras que en la de v=3 m/s el
desarrollo de biomasa fue el menor, lo que se puede atribuir a que resulta más difícil la adherencia de
los microorganismos pioneros al material liso, con velocidades altas. En las demás secciones de la gráfica
se  mantiene  relativamente  constante  la  velocidad  de  desarrollo,  lo  que  indica  que  la  tendencia  en
ambos  casos  es  similar.  Además  una  vez  la  película  biológica  se  formó,  las  mayores  fluctuación  de
velocidad se dieron en la tubería 2.

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6.3.4. Comparación de los efectos de la biopelículas en las perdidas por fricción en los

trabajos de Trujillo (2011), Vargas (2012) y Tamayo (2013)

A continuación se muestran los diagramas de Moody para cada tubería, con los datos totales de Trujillo,
Vargas y los obtenidos y expuestos en el presente trabajo. Se debe tener en cuenta que la velocidad de
la tercera tubería sufrió una variación de 0.5 m/s en su velocidad y esto pudo alterar los resultados. En
rojo se presentan los resultados obtenidos en el último periodo de medición y en grises los datos
obtenidos en los dos trabajos antes mencionados.

Gráfica 24 Diagrama de Moody datos Trujillo, Vargas y Tamayo ( v= 1 m/s).

De  la  Gráfica  24se  puede  observar  que  el  factor  de  fricción  tiene  a  aumentar  con  el  tiempo  de
recirculación.  Se  observa  también  que  la  relación  entre  el  tiempo  y  el  factor  de  fricción  son
proporcionales,  debido  a que  con el  paso  de  los  días  de  recirculación  se  obtienen  factores  de  fricción
más altos y rugosidades relativas mayores.

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Gráfica 25 Diagrama de Moody datos Trujillo, Vargas y Tamayo ( v= 3 m/s).

En la Gráfica 25 y la Gráfica 26el comportamiento del factor de fricción presenta una mayor flexibilidad
como producto de la presencia de biopelículas. Se observan unos valores altos debido a que después de
un periodo de no cambiar el pasto y disminuir el sustrato, se aumentó la concentración de CODB en el
sistema.

El rango de valores que toma el valor de fricción para la tubería de velocidad media es el mayor, pero
esto no se puede tomar como dato verídico, pues Vargas modificó la velocidad de flujo lo que puedo
haber causado estas irregularidades. Comparando las primeras tuberías, se observa que durante todas
las mediciones se presentaron valores de fricción mayores en aquellas tuberías de menor velocidad.

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Gráfica 26 Diagrama de Moody datos Trujillo, Vargas y Tamayo ( v= 2 m/s).

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7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Del presente estudio se concluyó que el principal efecto hidráulico de la biopelícula en las tuberías de las
redes de distribución de agua potable, consistente en todas las pruebas realizadas, es el aumento del
valor de rugosidad absoluta. Este a su vez depende de la cantidad y calidad del sustrato disponible y de
la velocidad de flujo.

Las mediciones mostraron que el factor que más impacto tiene en la dinámica de crecimiento y
desprendimiento de las biopelículas en sistemas de distribución de agua, fue la constancia con la que se
suministró sustrato, o la disponibilidad de materia orgánica para uso de los microrganismos presentes
en la película biológica.

La velocidad de flujo no tiene una influencia directa sobre la velocidad de desarrollo de las biopelículas,
pues aunque se observaron patrones de desarrollo más rápidos en velocidades bajas, la regeneración de
la biopelícula, posterior a los desprendimientos, fue mayor en la tubería de mayor velocidad debido a
que se incrementa la transferencia de masa entre el flujo y la biopelícula, por lo que los
microorganismos embebidos tienen un mayor contacto con nutrientes.

La disminución de la calidad del nutriente tuvo una influencia importante en el factor de fricción. Éste
disminuyó cuando el cambio del costal de pasto fue mayor a una semana.

Los desprendimientos fueron mayores en la tubería con mayor velocidad; esto se le atribuye a los
esfuerzos de cortante presentes en las paredes de las tuberías, que para mayores velocidades son
mayores.

El  pasto  kikuyo,  usado  como  fuente  de  carbono,  causó  variaciones  importantes  en  los  factores  de
fricción  y  las  características  hidráulicas  del  sistema.  Se  observó  que  es  un  nutriente  de  calidad,
aprovechable por los microorganismos de la biopelícula, pues se presentaron crecimientos importantes
del  espesor  en  las  fechas  donde  se  realizó  el  cambio  de  costal.  Adicionalmente  los  desprendimientos
fueron mayores durante los días en que se mantuvo el mismo costal por más de una semana.

Se recomienda tener cuidado al momento de realizar las mediciones, pues si la bomba chupa aire las
mediciones se ven afectadas y se deben repetir.

Es recomendable implementar un método de seguimiento cualitativo de las biopelículas diferente al
registro fotográfico del tubo de vidrio, ya que los cambios observados en las fotografías no representan
lo que ocurre dentro de las tuberías de PVC. Se podría realizar un mejor control cualitativo si se utilizan
cámaras de inspección dentro de las tuberías y una cámara de video sumergible para observar el cambio
de color de las paredes a medida que se desarrolla la película biológica.

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9. ANEXOS

9.1. ANEXO CÁLCULOS HIDRÁULICOS DE LAS TUBERÍAS CON PRESENCIA DE BIOPELÍCULAS

La determinación de los parámetros más relevantes fueron definitivos en la fase de construcción del
proyecto, esto fue realizado por María Ximena Trujillo en el año 2011 y los resultados para la tubería 1,
para la tubería 2 y para la tubería 3 se muestran en el Tabla 10.

Tabla 10 Parámetros relevantes para el cálculo hidráulico.

Antes de prender la bomba se registra es la altura inicial

de cada uno de los vertederos con el

limnímetro. Posteriormente se prende la bomba y se comienzan a registrar las alturas piezómetricas;
por cada medida se registra además la temperatura, la altura del vertedero y el tiempo en que se realiza
la medición.

Con los datos obtenidos se procede, en principio, a calcular la viscosidad cinemática del agua y la
densidad de la misma al interpolar con los datos encontrados en la literatura, y los mismos usados por
Tatiana. Estos se muestran en el cuadro a continuación:

(-)

0,008551

(-)

2,460025

(m)

0,108

)

0,009

(m)

2,765

(L/s)

7,7658

/s)

0,0078

(m/s)

0,8477

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Tabla 11 Cambio de la viscosidad y densidad del agua con la temperatura.

Fuente: [Base de datos]. [Consultado el 31 de Enero de 2013]. <Disponible en>:
http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/qui/denh2o.pdf

Tomando los datos del 31 de Enero de 2013, se muestran a continuación las temperaturas registradas
para la tubería número 1.

Tabla 12 Datos registrados de temperatura por medición.

Medición

Temp (°C)

Minutos

24.9

155

25.2

160

25.3

164

25.4

168

25.4

172

25.4

176

25.5

179

25.5

181

25.5

184

25.6

186

Se encuentra entonces que la temperatura fluctúa entre 25 y 26ºC, la ecuación que se utiliza para
realizar la interpolación se muestra a continuación.

(ºC)

(kg/ms)

(kg/m³)

0,001003

998,29

0,000979

998,09

0,000911

997,38

0,000933

997,62

0,000911

997,38

0,000891

997,13

0,000871

996,86

0,000852

996,59

0,000833

996,31

0,000815

996,02

0,000798

995,71

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Ecuación 8. Interpolación de la viscosidad según la temperatura medida.

donde:



la viscosidad en la temperatura medida



= la viscosidad consignada en la Tabla 11 para el límite máximo en el que fluctúa la

temperatura medida en la tubería dentro de las 10 mediciones.



= la viscosidad consignada en la Tabla 11 para el límite mínimo en el que fluctúa la

temperatura medida en la tubería dentro de las 10 mediciones.



=límite máximo para la temperatura en la que fluctúa la medición en los registros

realizados.

=límite mínimo e para la temperatura en la que fluctúa la medición en los registros Reemplazando

los valores en la ecuación se tiene:

Ahora para encontrar la densidad en la temperatura medida se usa la misma ecuación pero
reemplazando la viscosidad por los valores respectivos de las densidades.

Ecuación 9. Interpolación de la densidad según la temperatura medida.

Reemplazando se obtiene

Los resultados se muestran en la Tabla 13.

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Tabla 13 Resultados de viscosidad, densidad y viscosidad cinemática para ejemplo.

(ºC)

(kg/ms)

(kg/m

)

24.9

8.93E-04

997.1550

25.2

8.87E-04

997.0760

25.3

8.85E-04

997.0490

25.4

8.83E-04

997.0220

25.4

8.83E-04

997.0220

25.4

8.83E-04

997.0220

25.5

8.81E-04

996.9950

25.5

8.81E-04

996.9950

25.5

8.81E-04

996.9950

25.6

8.79E-04

996.9680

Con los datos de temperatura y de altura del vertedero se procede a calcular la velocidad de flujo
haciendo uso de la ecuación de calibración para el primer vertedero esbozado en laTabla 1. La fórmula
se retoma en la Ecuación 910.

La viscosidad cinemática se calcula dividiendo la viscosidad µ por la densidad ρ, como se muestra:

Tomando la altura para la medición 1, se tiene que

y si la altura inicial del vertedero uno

fue 11.53 cm entonces:

Ecuación 9.Cálculo del caudal para cada tubería.

La velocidad entonces se calcula como:

Ecuación 10.Cálculo de la velocidad para cada tubería.

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El diámetro usada en la ecuación anterior es el diámetro interno de las tuberías registrado por María
Ximena en su proyecto de grado.

El siguiente paso es calcular el número de Reynolds como se muestra a continuación:

Las  pérdidas  por  fricción  se  calculan  con  los  registros  de  la  altura  piezométrica  aguas  arriba  y  aguas
abajo para cada tubería. Con estos datos se realiza un promedio excluyendo los piezómetros conectados
a la parte superior de las tuberías, ya que no arrojan datos razonables por la presencia de burbujas.  El
promedio  se  realiza  aguas  arriba

y aguas abajo

así la pérdida de la altura

piezométrica

es la diferencia de

Con estos datos se hace uso de la ecuación de Darcy-Weisbach que se muestra a continuación:

Los datos de las alturas piezométricas se pueden observar en el anexo 9.2

es igual a 0. 13 m,

entonces reemplazando los valores se tiene:

(

)

La rugosidad absoluta ahora se calcula con la Ecuación 5, resolviendo para ks, entonces se tiene:

√

(

√

)

(

√

)

(

√

)

El esfuerzo cortante se debe calcular para determinar el espesor de la subcapa laminar viscosa, como se
muestra a continuación:

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Ahora se debe determinar:

√

para finalmente calcular el espesor de

la subcapa laminar viscosa:

9.2.

ANEXO BASE DE DATOS SEMANAL, MEDICIONES:

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Pprom

(m)

(-)

(m)

(kg/ms) (kg/m3)

(m2/s)

/s)

(m/s)

(-)

(m)

(-)

(m)

(kg/ms

)

(m/s)

(μm)

11.53

30.030 8.93E-04 997.1550 8.96E-07 0.011202 1.222852 147471.8 1.006

1.009

1.006

1.007 0.949 0.978 0.978

0.968

0.057

0.031

0.028

0.039

0.0198 1.12E-04 3.693491 0.060861

170.69

11.53

29.570 8.87E-04 997.0760 8.90E-07

0.01053 1.149405 139540.9 0.971

0.985

0.984

0.980 0.918 0.957 0.959

0.945

0.053

0.028

0.025

0.035 0.02047 1.28E-04 3.374819 0.058178 177.3749243

11.53

29.050 8.85E-04 997.0490 8.88E-07 0.009799 1.069608 130143.3 0.946

0.948

0.939

0.944 0.889 0.921 0.922

0.911

0.057

0.027

0.017

0.034 0.02253 1.86E-04 3.215543

0.05679 181.3075462

11.53

28.360 8.83E-04 997.0220 8.86E-07 0.008876 0.968941 118158.6 0.915

0.923

0.924

0.921 0.885 0.891 0.892

0.889

0.030

0.032

0.031 0.02555 2.97E-04 2.992602 0.054786 187.5175128

11.53

28.080 8.83E-04 997.0220 8.86E-07 0.008517 0.929765 113381.2 0.902

0.912

0.911

0.908 0.875 0.879 0.877

0.877

0.027

0.033

0.034

0.031 0.02775 3.98E-04 2.992602 0.054786 187.5175128

11.53

27.350 8.83E-04 997.0220 8.86E-07 0.007623 0.832104 101471.8 0.875

0.879

0.882

0.879 0.850 0.853 0.852

0.852

0.025

0.026

0.030

0.027 0.02985 5.10E-04 2.578732 0.050857 202.0055266

11.53

26.740 8.81E-04 996.9950 8.84E-07

0.00692 0.755383 92322.61 0.858

0.862

0.861 0.836 0.839 0.838

0.838

0.022

0.023

0.024

0.023 0.03086 5.69E-04 2.196638 0.046939

218.38

11.53

26.100 8.81E-04 996.9950 8.84E-07 0.006226 0.679578 83057.76 0.832

0.834

0.835

0.834 0.810 0.815 0.815

0.813

0.022

0.019

0.020

0.020 0.03371 7.55E-04 1.941955 0.044134 232.2564637

11.53

25.340 8.81E-04 996.9950 8.84E-07 0.005457 0.595669 72802.39 0.811

0.815

0.816

0.814 0.796 0.798 0.799

0.798

0.015

0.017

0.016 0.03524 8.67E-04 1.559931 0.039555 259.1401386

11.53

24.460 8.79E-04 996.9680 8.82E-07 0.004641 0.506594

62054.9 0.770

0.772

0.774

0.772 0.753 0.765 0.760

0.759

0.017

0.007

0.014

0.013 0.03779 1.07E-03

1.20971 0.034834 293.6064936

11.49

31.620 8.73E-04 996.887

8.76E-07 0.013789 1.505179

185628 0.952

0.961

0.926

0.946 0.882 0.882 0.880

0.881

0.070

0.079

0.046

0.065 0.02196 1.69E-04 6.207217 0.078909 128.7362351

11.49

30.960 8.73E-04 996.887

8.76E-07 0.012703 1.386667 171012.4 0.916

0.924

0.895

0.912 0.857 0.855 0.855

0.856

0.059

0.069

0.040

0.056

0.0223 1.79E-04 5.347756 0.073242 138.6958508

11.49

30.760 8.73E-04 996.887

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10.49
10.49
10.49
10.49
10.49
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Días

Tubería

de PVC

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398.00

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δ'

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f_P3

f_P4

f_promedio

fprom

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AGUAS ABAJO

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10.34

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0.021

0.019 0.02967 5.00E-04 1.846049 0.043035 233.9934096

10.7

24.65 0.000865

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0.68 0.675

0.675

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10.7

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10.7

22.96 0.000865

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0.65

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0.64

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0.635

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11.65

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0.068

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11.65

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0.82

0.806

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0.055

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11.65

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11.65

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11.65

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11.65

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11.65

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996.779 8.68E-07

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0.005

0.008 0.03357 7.45E-04 0.732074

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