IAHR
CIC
XXV CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICA
SAN JOSÉ, COSTA RICA, 9 AL 12 DE SETIEMBRE DE 2012
INFLUENCIA DEL MATERIAL DE LA TUBERÍA Y LA VELOCIDAD DE
FLUJO EN EL DESARROLLO DE BIOPELÍCULAS EN SISTEMAS DE
DISTRIBUCIÓN
Sara Gacharná, María Ximena Hernández, María Ximena Trujillo
Investigadores, Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados –CIACUA–, Departamento de Ingeniería
Civil y Ambiental, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia; email: mx.hernandez41@uniandes.edu.co;
sc.gacharna41@uniandes.edu.co; mx.trujillo92@uniandes
.edu.co
RESUMEN:
En un montaje diseñado en el Laboratorio de Hidráulica de la Universidad de los
Andes Bogotá, Colombia, se ha estudiado a lo largo de trabajos previos la formación y desarrollo de
biopelículas usando fuentes de carbono comerciales para facilitar su crecimiento, tales como el jugo
de caña de azúcar. Este estudio busca validar los datos obtenidos anteriormente al alimentar el
sistema con fuentes de carbono de difícil asimilación encontradas en los ríos de captación de agua
potable para Bogotá- Colombia, como lo son el pasto kikuyo, Pennicetum clandestinum, y el
humus. Se estudiaron dos sistemas durante 150 días de recirculación, tomando mediciones de
biopelícula a partir de unos testigos extraíbles instalados en las tuberías y de lecturas de
piezómetros para evaluar las pérdidas por fricción. Finalmente se concluye, que a pesar de utilizar
una fuente de carbono de difícil asimilación en ambos montajes se evidenció el desarrollo de
biopelícula que provocó que las pérdidas por fricción fueran superiores a las esperadas, lo que se
reflejaba en factores de fricción muy altos, variables e incongruentes con el Diagrama de Moody.
PALABRAS CLAVES: Biopelículas, agua potable, Diagrama de Moody, modelo físico.
INTRODUCCIÓN
La calidad del agua consumida en las ciudades solía ser medida en la salida de la planta de
potabilización. Sin embargo al considerar el deterioro de la calidad del agua a lo largo del sistema
de distribución, los riesgos que esto representa para la salud pública y las implicaciones sobre el
diseño de la red, ahora se busca cumplir con los objetivos de calidad en los puntos de entrega al
consumidor. La presencia de biopelículas en las redes de abastecimiento de agua potable es uno de
los factores que contribuye a dicho deterioro del agua, porque permite la formación de productos
que pueden afectar su calidad organoléptica y promueven el desarrollo de microorganismos
potencialmente patógenos que consiguen sobrevivir al proceso de potabilización. Por lo tanto
conocer los factores que afectan su desarrollo permitiría establecer mecanismos de prevención.
Los objetivos del estudio descrito en este artículo fueron: determinar la influencia de la fuente de
carbono, el material y la velocidad del flujo, en la formación de biopelículas además de los efectos
que éstas representan sobre la hidráulica en los sistemas de distribución de agua potable. La fuente
de carbono utilizada fue pasto kikuyo (Pennisetum clandestinium), material vegetal presente en las
fuentes de captación de agua potable de Bogotá, Colombia.
MODELO FÍSICO
Se construyeron dos modelos físicos. Uno con tres tuberías de diferente material y diámetro (d):
polietileno (PE) d=0.152 m, policloruro de vinilo (PVC) d=0.108 m y concreto (CCP) d= 0.155 m.
En este modelo, paralelo al tubo de PVC se encontraba un tubo de vidrio d=0.046 m conectado a
través de dos Tees con reducción de 0.108 a 0.051 m (Figura 1).
El segundo modelo físico, tenía tres tuberías de PVC d=0.108 m con diferentes velocidades. Igual
que el primer modelo, dos tuberías estaban conectadas a tubos de vidrio a través de Tees con
reducción de 0.108 a 0.051 m (Figura 2).
Figura 1.- Modelo 1. Tuberías de diferente
material.
Figura 2.- Modelo 2. Tuberías con velocidad de
flujo diferente.
En ambos modelos era necesario determinar el crecimiento de la biopelícula a través de testigos
instalados aguas abajo de los piezómetros. La distribución de los testigos se muestra en la Figura 3.
Los testigos que están en parejas se llaman
testigos de centro, los cuales tienen 4 cm de
ancho, 7 cm de largo y cuyo espaciamiento entre
testigos longitudinal y transversalmente es de
1cm. Aguas abajo hay un testigo individual, el
cual se denomina de borde; este tiene 4 cm de
ancho y 10 cm de largo.
Figura 3. – Zona de testigos extraíbles.
Aspectos hidráulicos
En ambos modelos, la caída de altura piezométrica se determinó por medio de 8 piezómetros (4
aguas arriba y 4 aguas abajo). Los piezómetros se ubicaron a 1,2 m del codo que une la tubería con
el tanque, a fin de medir presión cuando el flujo esté totalmente desarrollado. Los piezómetros
aguas abajo se instalaron a 2,766 m de los de aguas arriba (Figura 4).
Figura 4. – Localización de piezómetros
.
Para calcular las pérdidas por fricción cada semana, se realizaron 10 variaciones de caudal en cada
prueba, para de esta manera obtener diferentes valores del número de Reynolds (Re), en un
intervalo entre 2000 y 80000. Estos valores fueron tomados teniendo en cuenta que se asegure flujo
turbulento, y permite ubicar los valores encontrados del factor de fricción (f) dentro del Diagrama
de Moody utilizando la ecuación de Darcy-Weisbach [1] , lo que a su vez permite conocer la
rugosidad relativa de la tubería haciendo uso de la ecuación de Colebrook- White [2], a fin de
determinar los efectos de la biopelícula sobre la hidráulica del sistema.
Aspectos microbiológicos
En una red de abastecimiento hay dos fases diferenciadas que interaccionan entre sí formando un
ecosistema particular y dinámico. Por un lado el agua circulante sirve de medio de transporte para
los nutrientes y las bacterias, mientras que en la pared de la tubería se presentan fenómenos de
fijación bacteriana y formación de película biológica (Knobelsodorf, 1997).
Las biopelículas se caracterizan por ser un conjunto de células rodeadas por una matriz de
exopolisacárido (EPS) secretado por estas mismas (Figura 5) (Huq, 2008). La comunidad que hace
parte de dicha matriz es bastante diversa pues cualquier microorganismo presente en el agua se
puede adherir, es decir, se pueden encontrar bacterias, hongos, protozoos, virus e incluso algunos
macro-invertebrados, tales como: nemátodos, gusanos, larvas de insectos, rotíferos y pequeños
crustáceos (Vargas, 2004).
El desarrollo del material extracelular de las
biopelículas que les permite adherirse a las
superficies,
resulta
de
un
proceso
de
comunicación intercelular a través de moléculas
mensajeras y la autoinducción de las células a
la secreción de EPS (Huq, 2008).
Se
terminan
formando
arquitecturas
tridimensionales y complejas que funcionan
como un mecanismo de defensa de las bacterias
a los compuestos tóxicos, los antibióticos, el
estrés térmico y la depredación (Huq, 2008).
Figura 5.- Modelo estructural de matriz
Biológica en forma de mosaico heterogéneo.
Aproximación cuantitativa
La aproximación cuantitativa del desarrollo de biopelícula en el montaje consiste en determinar el
espesor de la misma a partir del peso de biomasa de testigos de borde y de centro. Con el peso de
los testigos de centro, se determinó el espesor promedio de la biopelícula ( ). Mientras que con el
peso de los testigos de borde se estimó la velocidad inicial de crecimiento (
), la velocidad de
desarrollo (
) y el espesor máximo de la biopelícula (
). Las ecuaciones utilizadas se muestran
a continuación.
Aproximación cualitativa
La aproximación cualitativa consiste en la identificación de los microorganismos presentes en la
biopelícula por medio del Método Tradicional/ Kit de Diagnóstico.
RESULTADOS
Modelo 1. Tuberías de diferente material
El objetivo principal de este modelo se fundamentaba en el uso de una fuente de carbono de difícil
asimilación, como nutrientes, en lugar de las fuentes sintéticas de carbono usadas para este tipo de
estudios tales como el jugo de caña de azúcar u otros disponibles en el mercado; todo esto,
justificados en el hecho de que era más probable que fuera el humus y el pasto kikuyo los que
contaminaran las redes y no otras fuentes. Sin embargo el utilizar humus afectó la magnitud y
variación de las mediciones de pérdidas por fricción como se muestra a continuación.
Efecto de biopelícula sobre factor de fricción
Figura 6.-
Diagrama Moody de para la tubería de
CCP.
Figura 7.-
Diagrama Moody de para la tubería de
PVC.
En general para los tres materiales, se observa
que los valores de f son superiores a lo esperado
y varían considerablemente. Lo que se atribuye a
una pérdida de energía generada por la
biopelícula y por la formación de lechos móviles
de humus observados en el tubo de vidrio.
Lo que sucede con las pérdidas de energía por
fricción en tuberías con resuspensión de sólidos
generando depósitos estacionarios es, que se
presentan dos límites (las paredes de la tubería y
la cima del lecho) lo cual implica dos valores
diferentes
de
la
rugosidad
hidráulica
(Matausek,sf).
Figura 8.-
Diagrama Moody de para la tubería de
PE.
El resultado del fenómeno anterior es la deformación del perfil de velocidad en la vertical de la
sección transversal y el desplazamiento del eje hidrodinámico hacia la parte superior de la tubería.
De modo que la distribución no simétrica de la velocidad y la concentración de sólidos a través del
área de descarga tienen un profundo efecto en el límite de fricción afectando las pérdidas y por lo
tanto alterando el factor de fricción.
Por otro lado al comparar los resultados obtenidos para cada una de las tuberías se aprecia que la
tubería de mayor rugosidad absoluta (CCP) obtuvo los mayores factores de fricción seguida por la
de PE y en último lugar PVC.
Comparación entre la rugosidad absoluta, el espesor de la biopelícula y la subcapa laminar
viscosa
Figura 9.- Comparación entre k
s
, E
prom
y δ’ para el
tubo de CCP.
Figura 10.- Comparación entre k
s
, E
prom
y δ’ para el
tubo de PVC.
Al observar las anteriores figuras se determina
que el régimen de flujo la mayor parte del
tiempo se mantuvo en flujo turbulento
hidráulicamente liso (FTHL) para las tuberías de
CCP y PVC, a excepción de algunos días de
recirculación en donde se presentó flujo
turbulento transicional (FTT). Mientras que la
tubería de PE siempre estuvo por encima de
0.305 δ’, por lo que el flujo fue FTT.
Figura 11.- Comparación entre k
s
, E
prom
y δ’ para el
tubo de PE.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
13
15
20
23
29
36
41
43
48
55
63
69
77
78
84
86
E
sp
es
o
r
[µm
]
Días de recirculación
δ [µm]
ks [µm]
0.305 δ [µm]
Espesor biopelícula [µm]
0
100
200
300
400
500
600
13
15
20
23
29
36
41
43
48
55
63
69
77
78
84
86
E
sp
es
o
r
[µ
m
]
Días de recirculación
δ [µm]
0.305 δ [µm]
Espesor biopelícula [µm]
ks [µm]
0
100
200
300
400
500
600
13
15
20
23
29
36
41
43
48
55
63
69
77
78
84
86
E
sp
es
o
r
[µm
]
Días de recirculación
ks [µm]
0.305 δ [µm]
Espesor biopelícula [µm]
δ [µm]
Por otro lado, se observa que a medida que la rugosidad de la tubería tiende a aumentar, el k
s
también lo hace, por el contrario la subcapa laminar viscosa muestra una leve tendencia a disminuir.
Finalmente, se puede apreciar que en ninguno de los 3 casos la rugosidad o el espesor de la
biopelícula sobrepasaran el espesor de la subcapa laminar viscosa, lo cual corrobora que el máximo
espesor que puede alcanzar la biopelícula está determinado por ésta.
Modelo 2. Tuberías con velocidad diferente
El objetivo general de este modelo consistía en evaluar la influencia de la velocidad del flujo en el
desarrollo de la biopelícula y el efecto de ésta sobre el factor de fricción de Darcy-Weisbach,
mediante un modelo físico alimentado únicamente con pasto, ya que se tuvieron en cuenta los
inconvenientes que se presentaron en el Modelo 1 provocados por el humus.
Efecto de biopelícula sobre factor de fricción
Figura 12.-
Diagrama Moody de para la tubería con
v=1 m/s.
Figura 13.-
Diagrama Moody de para la tubería
con v=1.5 m/s.
En las figuras anteriores, se puede apreciar que
el factor de fricción independientemente de la
velocidad de flujo no sigue la forma
convencional del Diagrama de Moody; su
magnitud es mayor que lo esperado y varía sin
ninguna tendencia clara en el tiempo.
A su vez se aprecian algunos puntos que están
por fuera del rango de validez de la ecuación
de Colebrook-White en las tuberías de v= 1 y
1.5 m/s, lo que equivale a factores de fricción
muy bajos correspondientes a rugosidades
relativas muy bajas.
Figura 14.-
Diagrama Moody de para la tubería con
v=3 m/s.
En este caso, la incongruencia del factor de fricción en las tuberías con biopelículas con respecto al
Diagrama de Moody, se debe a las propiedades visco-elásticas de la biopelícula, que le permiten
deformarse y absorber o liberar energía del flujo (Picologlou, 1980). De modo que cuando ésta
absorbe energía, se incrementan las pérdidas haciendo que la magnitud del factor de fricción
aumente. Contrariamente cuando ésta libera energía, se reducen las pérdidas a tal punto que se
obtienen factores de fricción demasiado bajos equivalentes a rugosidades relativas extremadamente
pequeñas.
Comparación entre la rugosidad absoluta, el espesor de la biopelícula y la subcapa laminar
viscosa
Figura 15.- Comparación entre k
s
, E
prom
y δ’ para el
tubo v=1 m/s.
Figura 16.- Comparación entre k
s
, E
prom
y δ’ para el
tubo v=1.5 m/s.
En la Figura 15, para la tubería con velocidad de
flujo de 1m/s (v=1m/s) se evidencia que el
espesor de la biopelícula hace que el k
s
varíe en
el tiempo de una forma no común. Para este
caso se observa que la rugosidad tiene un pico
considerablemente alto, luego desciende y más
adelante se forma un pico menor, fenómeno que
coincide con una disminución intencional en la
disponibilidad del sustrato en el sistema.
Figura 17.- Comparación entre k
s
, E
prom
y δ’ para el
tubo v=3 m/s.
En cuanto a la tubería con v=1.5 m/s, se aprecia que el espesor de biopelícula es menor que la de
v=1 m/s; al parecer dicha disminución hizo que la rugosidad se comportara diferente, pues aumenta
el número de picos y sus magnitudes son variables (Figura 16). Para el caso de v= 3 m/s se puede
apreciar que el comportamiento de la rugosidad nuevamente cambia (Figura 17), aumentando la
cantidad de picos y aumentando su magnitud en comparación la tubería v=1 m/s.
Al comparar la rugosidad con el espesor de la subcapa laminar viscosa en todas las tuberías se
puede ver que el flujo es turbulento hidráulicamente liso, aunque en algunos casos tiende al flujo
turbulento transicional consecuencia de la forma de la rugosidad.
Efecto de la velocidad de flujo sobre la velocidad de crecimiento de la biopelícula
En la Figura 18, se evidencia que la velocidad
del flujo afecta la velocidad a la que se
desarrolla la biopelícula en la tubería, aunque
la relación entre ellas no presenta ninguna
tendencia clara. Esto se debe a que la biomasa
es un sistema complejo y dinámico cuyo
desarrollo depende de otros factores además de
la velocidad del flujo (Vargas, 2004).
Figura 18.- Evolución del espesor de la biopelícula.
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
20
40
60
80
100
(μ
m)
Días recirculación
δ'
Eprom
ks
0,305δ'
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
600,00
20
40
60
80
100
(μ
m)
Días recirculación
δ'
Eprom
ks
0,305δ'
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
400,00
20
40
60
80
100
(μ
m)
Días recirculación
δ'
Eprom
ks
0,305δ'
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
v
(μ
m
/d
ia)
Días recirculación
v=1 m/s
v=1.5 m/s
v=3 m/s
Los primeros puntos de cada serie representan la velocidad inicial de desarrollo de la biopelícula. Se
observa 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 la mayor
dificultad que enfrentan los microorganismos pioneros para adherirse a un material liso con
velocidades altas.
No obstante, a lo largo del tiempo, se aprecia que la velocidad de crecimiento de biomasa más alta
es la de v=3 m/s, es decir, si bien a la biomasa le tomó más tiempo desarrollarse en un principio,
más adelante fue la que creció a una mayor tasa. A su vez es la que tiene una menor velocidad de
decrecimiento, pues tanto la serie de v=1 m/s como la de v=1,5 m/s muestran una caída en el
crecimiento severa cerca a los 55 días de recirculación cuando se suspendió intencionalmente la
alimentación del sistema. Lo anterior, se debe a la mayor disponibilidad de nutrientes consecuencia
del aumento de la transferencia de masa entre el flujo y la biopelícula (Lehtola, 2006).
Identificación
La identificación de las especies llevada a cabo por el LEMA (Laboratorio de Ecología y
Microbiología Ambiental, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia) se hizo con el método de
aislamiento e identificación de bacterias en un medio NO puro. El procedimiento fue realizado a
muestras tomadas de testigos de centro y borde de cada tubería en diferentes dos épocas del período
de recirculación (67 y 92 días).
Primer período (67 días)
o Bacillus pasteurii: Bacteria en forma de barra, gram positiva, aerobia, infiltrada en
depósitos naturales de suelos húmedos y pantanosos. Es capaz de sintetizar calcita,
una forma cristalina y estable del carbonato cálcico, a partir de arena. No produce
enfermedades.
o Staphylococcus capitis: Coco gram positivo, aerobio componente de la flora de la
piel del cuero cabelludo y la frente. Produce infecciones del tracto urinario, también
infecciones relacionadas con catéteres tales como: Bacterimia (Bacterias en la
sangre), Cellulitis (Infección de la piel) e infección derivada del líquido
cefalorraquídeo.
o Bacillus subtilis: Bacteria en forma de barra, gram positiva, aerobia o aerobia
facultativa, formadora de esporas resistentes a la temperatura, la radiación y los
desinfectantes. En situaciones extremas recurre al canibalismo. Produce
enfermedades neoplásicas: pneumonía y bacterimia mortal, Septicemia (Letal en
pacientes inmunosuprimidos), infección del tejido necrótico axilar en pacientes con
cáncer de seno. Infecciones derivadas de prótesis de mama y ventrículos arteriales,
meningitis después de una herida en la cabeza y colangitis asociada con el riñón y el
hígado. También puede producir mastitis en bovinos y aborto en ovinos.
Segundo período (92 días)
o Bacillus circulans: Bacteria gram positiva, aerobia, formadora de esporas, mótil,
encontrada normalmente en el suelo. Asociado con septicemia, abscesos e
infecciones en heridas.
o Bacillus licheniformis: Bacteria motil, formadora de esporas, aerobia facultativa. Se
trata de un organismo del suelo no patógeno que se asocia principalmente con las
plantas y materiales vegetales. Es utilizada por la industria para producir proteasas y
amilasas con el fin de mejorar la eficiencia de los detergentes.
Al observar los resultados obtenidos, se aprecia que las bacterias identificadas son en general
formadoras de esporas resistentes al déficit de nutrientes y a los desinfectantes. Estas normalmente
no son patógenas para los seres humanos; sin embargo pueden estar asociadas con enfermedades e
infecciones, que en su mayoría son letales para la población vulnerable tal como los ancianos, niños
y pacientes inmunosuprimidos (patógenos oportunistas).
CONCLUSIONES
Uno de los objetivos principales de este estudio era modelar físicamente el desarrollo y crecimiento
de las biopelículas en sistemas de distribución de agua potable, por lo que se alimentó el sistema
con una fuente de carbono de difícil asimilación. Como conclusión se obtuvo que aún utilizando
una fuente de carbono presente en el agua de captación para la potabilización, se obtuvo evidencia
de la presencia de bacterias en las paredes internas de las tuberías.
En cuanto a la influencia del material de la tubería sobre el desarrollo y crecimiento de biopelículas,
si se tiene en cuenta que las condiciones ambientales e hidráulicas en las que se desarrolló el
experimento fueron similares para las tuberías de diferente material, se puede concluir que las
diferencias de espesor obtenidas en los tres materiales son consecuencia directa del material de la
tubería, pero no hay una relación directa entre la rugosidad y el espesor de la biopelícula.
En lo que respecta a la influencia de la velocidad de flujo sobre la velocidad de crecimiento de la
biopelícula, se concluye que a medida que aumenta la velocidad del flujo la velocidad inicial de
desarrollo disminuye y aumenta la velocidad de crecimiento de la biopelícula. La disminución en la
velocidad inicial se debe a que los microorganismos pioneros se les dificulta adherirse a una tubería
de material liso con flujo turbulento. Por otro lado, la velocidad de desarrollo aumenta, porque se
incrementa la transferencia de masa entre el flujo y la biopelícula, por lo que los microorganismos
que la conforman tienen un mayor contacto con nutrientes limitantes de crecimiento.
Otro de los objetivos era determinar el efecto de la biopelícula sobre la hidráulica del sistema de
distribución. Con respecto a esto se concluye que el principal efecto hidráulico de la biopelícula, en
las tuberías de distribución de agua potable, es el aumento del valor del coeficiente de rugosidad
absoluta, el cual depende de la velocidad del flujo en la tubería y la cantidad de sustrato disponible.
Por otro lado, la identificación de especies realizada para el Modelo 2 muestra que las especies de
bacterias encontradas en el montaje son formadoras de esporas resistentes a la temperatura, el
déficit de nutrientes y al uso de desinfectantes. Por lo tanto son microorganismos que representan
un alto riesgo para la población vulnerable y a su vez un reto para su remoción en la red.
Finalmente, este estudio demuestra que todas las tuberías sin importar su material o el caudal que
transporten son susceptibles a la formación de biopelícula, debido a que está compuesta de una
diversidad de microorganismos resistentes y persistentes. Sin embargo al considerar que su
principal efecto depende en parte de la disponibilidad de sustrato, se sugiere que una manera de
prevenir la formación de biopelícula en los sistemas de distribución de agua potable sea minimizar
la entrada de materia orgánica biodegradable a la red de distribución y manteniendo la
concentración recomendada de desinfectante, lo que sugiere mantener la eficiencia de los procesos
de potabilización.
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