Biopelículas alimentadas con CODB- dinámica de crecimiento y desprendimiento

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FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL Y AMBIENTAL

PROYECTO DE GRADO INGENIERÍA AMBIENTAL

Presentado por:

SANDRA CAROLINA NAVARRETE RODRÍGUEZ.

MODELACIÓN FÍSICA DE BIOPELÍCULAS EN REDES DE DISTRIBUCIÓN DE

AGUA POTABLE ALIMENTADAS CON CARBONO ORGÁNICO DISUELTO.

Asesorado por:

JUAN GUILLERMO SALDARRIAGA

02 de Julio de 2012

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Universidad de los Andes
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones de Acueducto y Alcantarillado - CIACUA
Modelación física de biopelículas en redes de distribución de agua potable
alimentadas con Carbono Orgánico disuelto.

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IAMB 201210 20

AGRADECIMIENTOS

A Dios por permitirme culminar satisfactoriamente esta etapa de mi vida, por darme la

fortaleza para seguir adelante en todo momento.

A mis padres y hermanos quienes me apoyaron en todas las decisiones que tomé, nunca

dejaron de confiar en mí y a quienes les debo todo lo que soy.

A mi asesor Juan Saldarriaga por su apoyo, disposición e interés en el desarrollo de este

proyecto y a Jhon Calvo por su trabajo y colaboración en el desarrollo de este proyecto

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Contenido

Introducción

................................................................................................................................ 2

1.1 Objetivos

....................................................................................................................................... 4

1.1.1 Objetivo General

.................................................................................................................... 4

1.1.2 Objetivos específicos

.............................................................................................................. 4

1.2 Antecedentes

................................................................................................................................. 5

Marco Teórico

............................................................................................................................. 6

2.1 Aspectos Microbiológicos

......................................................................................................... 6

2.1.1 Definición Biopelículas.

..................................................................................................... 6

2.1.2 Formación y crecimiento en sistemas de distribución de agua potable.

............................. 6

2.1.2.1 Etapas de formación

........................................................................................................ 7

2.1.3 Disponibilidad de nutrientes

............................................................................................. 10

2.1.4 Resistencia a los desinfectantes

........................................................................................ 12

2.1.5 Efecto del material de la tubería en el desarrollo de biopelículas.

................................... 13

2.1.5.1 Materiales en la red de distribución

.............................................................................. 13

2.2 Aspectos Hidráulicos

.............................................................................................................. 18

2.2.1 Régimen de Flujo y Número de Reynolds

....................................................................... 18

2.2.2 Pérdidas de presión por fricción

....................................................................................... 19

2.2.3 Diagrama de Moody

......................................................................................................... 21

2.2.4 Pérdidas menores

.............................................................................................................. 23

Descripción del modelo

............................................................................................................. 24

3.1

Proceso de construcción

.................................................................................................... 25

3.2

Proceso de recirculación

.................................................................................................... 30

3.3 Selección de velocidad de flujo

............................................................................................... 32

Procedimiento Experimental

..................................................................................................... 33

4.1

Calibración de vertederos

.................................................................................................. 33

4.2

Recirculación diaria

........................................................................................................... 33

4.3

Determinación del volumen del sistema

........................................................................... 33

4.4

Cloración del sistema

........................................................................................................ 35

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4.5

Alimentación del sistema

.................................................................................................. 36

4.6

Recolección de datos

......................................................................................................... 37

4.7

Manipulación de datos

...................................................................................................... 39

4.7.1

Análisis Microbiológicos

.......................................................................................... 40

Resultados y discusión

.............................................................................................................. 42

5.1

Calibración de vertederos.

................................................................................................. 42

5.2

Curva de calibración de cloro.

........................................................................................... 44

5.3

Pérdidas por fricción y análisis gráfico por medio del Diagrama de Moody.

................... 45

5.3.1

Rugosidad de las tuberías limpias.

............................................................................ 45

5.3.2

Comportamiento durante recirculación y efecto del desarrollo de la biopelícula sobre

el factor de fricción de Darcy Weisbach

................................................................................... 49

5.4

Aspectos Microbiológicos.

............................................................................................ 52

Conclusiones

............................................................................................................................. 53

Recomendaciones

...................................................................................................................... 54

Anexos

....................................................................................................................................... 55

Bibliografía

............................................................................................................................... 56

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Porcentaje de causas de daños en las tuberías según el material (Ávila & Clavijo).

........... 7

Figura 2. Biopelícula desarrollada en una superficie de acero, analizada con microscopia de
epifluorescencia, (Dolan, 2002).

......................................................................................................... 9

Figura 3. Formación de biopelículas en tuberías. (Hernández, 2010)

............................................... 10

Figura 4. Biomasa presente en cada tipo de tubería (Niquette Patrick, 2000).

................................. 14

Figura 5. Vista superior del montaje.

................................................................................................ 24

Figura 6. Vista lateral del montaje.

................................................................................................... 24

Figura 7. Estructuras disipadoras de energía.

.................................................................................... 25

Figura 8. Instalación de Vertederos.

.................................................................................................. 26

Figura 9. Ubicación de secciones libres de tubería.

.......................................................................... 26

Figura 10. Adecuación de tubería de PE.

.......................................................................................... 27

Figura 11. Corte de testigos.

.............................................................................................................. 27

Figura 12. Instalación de piezómetros.

.............................................................................................. 28

Figura 13. Instalación de mangueras.

................................................................................................ 28

Figura 14. Tablero Piezométrico.

...................................................................................................... 29

Figura 15. Sensor diferencial de presión y ubicación de piezómetros.

............................................. 29

Figura 16. Sección inicial del montaje

.............................................................................................. 30

Figura 17. Rebose de tanque elevado.

............................................................................................... 31

Figura 18. Sección final del montaje.

................................................................................................ 31

Figura 19. Proceso de toma de datos.

................................................................................................ 37

Figura 20. Formato de recolección de datos.

..................................................................................... 38

Figura 21. Proceso de manipulación de datos para analizar las pérdidas por fricción.

..................... 39

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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Variables importantes en la adhesión celular para la formación de biopelículas, (Dolan,
2002).

.................................................................................................................................................. 8

Tabla 2. Nutrientes encontrados en sistemas de distribución de agua potable.

................................. 11

Tabla 3. COT presente en materiales de diferentes tuberías, (Hernández, 2010).

............................ 14

Tabla 4. Preferencia en formación de biopelículas según el material de la tubería (Keinanen, 2006).
........................................................................................................................................................... 16
Tabla 5. Clasificación del régimen de flujo según el número de Reynolds.

..................................... 19

Tabla 6. Tipos de flujo dado el espesor de la subcapa laminar viscosa.

........................................... 20

Tabla 7. Volumen en tanques y vertederos.

...................................................................................... 34

Tabla 8. Volumen en tuberías.

.......................................................................................................... 34

Tabla 9. Ecuaciones para determinar el desarrollo de la biopelícula.

............................................... 40

Tabla 10. Resultados calibración de vertederos

................................................................................ 43

Tabla 11. Rugosidad absoluta de materiales (RAS, 2000)

................................................................ 48

Tabla 12. Comparación de rugosidad absoluta

................................................................................. 48

Tabla 13. Peso inicial de testigos.

..................................................................................................... 55

ÍNDICE DE GRÁFICAS

Gráfica 1. Diagrama de Moody. (Hernández, 2010). ........................................................... 22
Gráfica 2. Curva de calibración del vertedero de la tubería de PVC.................................... 42
Gráfica 3. Curva de calibración del vertedero de la tubería de Acero Galvanizado. ........... 43
Gráfica 4. Decaimiento de cloro. .......................................................................................... 44
Gráfica 5. Determinación experimental de ks para la tubería de PVC. ................................ 46
Gráfica 6. Determinación experimental de ks para la tubería de Acero. .............................. 47
Gráfica 7. Comportamiento del crecimiento de biopelícula en la tubería de PVC. ............. 50
Gráfica 8. Comportamiento del crecimiento de biopelícula en la tubería de Acero ............ 51

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1. Introducción

El deterioro de la calidad de agua potable tras el paso por el sistema de distribución puede
deberse a cambios físicos, químicos o microbiológicos que ocurren en ésta y que sumados
al decaimiento de desinfectante, pueden generar daños en la salud de la población.
Frente  a  los  cambios  microbiológicos,  la  posibilidad  de  muchos  microorganismos  de
sobrevivir  ante  los  sistemas  de  tratamiento  de  agua  en  las  plantas  de  potabilización  y
colonizar  la  red  de  distribución  de  agua  potable  se  ha  convertido  en  un  problema  de
importancia, especialmente en el caso de crecimiento de biopelículas, evento que debe ser
analizado dado el riesgo que estas pueden presentar al promover las condiciones propicias
para  que  microorganismos  patógenos  puedan  entrar  al  sistema  y  conllevar  a  serias
implicaciones en la salud pública.

La  formación  de  biopelículas  en  tuberías  se  encuentra  ampliamente  documentada  y  con
base en la literatura se ha encontrado que más del 99% de todas las bacterias presentes en el
agua viven asociadas de esta manera (Zsuzsa Ludmany, 2006), logrando una organización y
adaptación  al  medio  que  les  permite  prolongar  su  establecimiento  en  el  sistema  de
distribución de agua potable, especialmente en las paredes de las tubería ya que por medio
de  la  secreción  de  sustancias  logran  adherirse  eficientemente  haciendo  que  su
desprendimiento no se logre fácilmente.
La  principal  fuente  de  alimento  para  la  formación  de  biopelículas,  proviene  de  la  materia
orgánica que no es removida en la planta de tratamiento de agua potable (PTAP), presente
en  el  agua  debido  al  contacto  de  ésta  con  material  vegetal  cercano  a  quebradas  y  arroyos
que abastecen la PTAP.
Adicionalmente, es posible que se dé el ingreso de materia orgánica en pequeñas cantidades
debido a fugas o fisuras en las tuberías en los procesos de reparación de tramos de tuberías
Desde  un  punto  de  vista  hidráulico,  la  formación  de  biopelículas  en  los  sistemas  de
distribución de agua potable genera pérdidas provocadas por la fricción entre el agua y las
paredes  de  la  tubería,  haciendo  que  el  sistema  sea  menos  eficiente  y  en  casos  extremos
haciendo necesario el bombeo adicional que representa un gasto de energía no contemplado
inicialmente.

En el presente estudio se evalúa la influencia del material de la tubería en la formación de
biopelículas mediante el monitoreo del crecimiento de estas por medio de testigos, como
también el efecto hidráulico debido a las pérdidas generadas y los cambios en el factor de
fricción de la ecuación de Darcy-Weisbach dado la actividad microbiológica presente.

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Para cumplir estos objetivos se realizó un montaje en el laboratorio para comparar bajo las
mismas condiciones hidráulicas el desarrollo y efecto de la formación de biopelículas en
tres tuberías de materiales diferentes (PVC, Polietileno y Acero).

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1.1 Objetivos

1.1.1 Objetivo General
Establecer si existe una relación entre el material de la tubería y la formación y crecimiento
de biopelículas por medio del estudio de su efecto hidráulico en tuberías simulando un
sistema de distribución de agua potable.

1.1.2 Objetivos específicos



Diseñar y construir un montaje en el cual se puedan realizar pruebas experimentales

para determinar la influencia de los materiales en el desarrollo y crecimiento de
biopelículas.



Determinar las pérdidas de altura piezométrica debido a la fricción generada por la

presencia de biopelículas y analizar su comportamiento en el diagrama de Moody.



Determinar por medio de datos experimentales la rugosidad de las tuberías

utilizadas en el montaje a fin de analizar su evolución en el tiempo debido a la
presencia de biopelículas en las paredes de cada tubo.



Establecer cuantitativamente el crecimiento de microorganismos en cada una de las

tuberías comparando los resultados obtenidos logrando establecer un “orden de
preferencia” por colonizarlas.

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1.2 Antecedentes

Gracias a varios trabajos de investigación realizados en la Universidad de los Andes, se ha
podido realizar avances relacionados con el estudio de la formación y características de las
biopelículas presentes en los sistemas de distribución de agua potable.

A continuación se presentan algunas de las conclusiones de las investigaciones realizadas.



“Influencia de los materiales de las tuberías en el crecimiento de biopelícula en las
redes de distribución de agua a presión (2005)” presentado por Andrea Vargas
Gamarra; concluye que existe un aumento del factor de fricción a medida que crece
el espesor de la biopelícula. Adicionalmente afirma que la colonización de
microorganismos es mayor en una tubería de polietileno que en una de PVC ya que
el tamaño de la biopelícula fue mayor en la primera.



“Influencia  de  la  fuente  de  carbono  en  el  desarrollo  de  biopelículas  y  si  efecto
hidráulico  en  sistemas  de  distribución  de  agua  potable  (2010)”  presentado  por
María  Ximena  Hernández:  describe  que  el  crecimiento  bacteriano  en  la  tubería
depende del material de la misma lo cual afecta directamente las pérdidas de energía
generadas en el sistema. Concluye que el aumento en el factor de fricción es mayor
en tuberías de CCP, que en tuberías de polietileno y PVC.



“Modelación  Física  de  biopelículas  en  redes  de  distribución  de  agua  potable
alimentadas  con  carbono  orgánico  disuelto  (2011)”presentado  por  María  Ximena
Trujillo:  concluye  que  el  crecimiento  de  biopelículas  depende  de  la  velocidad  de
flujo  a  causa  de  la  transferencia  de  masa  entre  los  nutrientes  del  agua  y  la
biopelícula,  con  lo  cual  a  medida  que  la  velocidad  en  el  sistema  aumenta,  el
crecimiento de biopelícula en el mismo también. Adicionalmente, encuentra que la
variación  del  factor  de  fricción  frente  al  Número  de  Reynolds  no  se  relaciona  por
medio  del  diagrama  de  Moody  debido  a  las  propiedades  visco-elásticas  de  la
biopelícula que le permite deformarse absorbiendo o liberando energía.

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2. Marco Teórico

Para  cumplir  con  los  objetivos  propuestos  se  hace  necesario  realizar  una  revisión
bibliográfica  acerca  de  las  biopelículas,  su  formación  y  crecimiento  como  también  de  los
principios  hidráulicos  que  se  pueden  ver  afectados  debido  al  desarrollo  de  estas  en  las
tuberías.

2.1 Aspectos Microbiológicos

2.1.1 Definición Biopelículas.
Una  biopelícula  es  un  conjunto  diverso  de  microorganismos  entre  los  cuales  se  pueden
encontrar  bacterias,  hongos,  virus,  bacilos  entre  otros,  que  interactúan  y  viven  asociados
para  formar  una  meta-comunidad  y  que  se  encuentran  protegidos  gracias  a  una  matriz
polimérica  producida  por  ellas  mismas,  la  cual  se  adhiere  a  superficies  vivas  o  inertes,
(CIACUA, 2009).

2.1.2 Formación y crecimiento en sistemas de distribución de agua potable.
Aunque  los  sistemas  de  distribución  de  agua  potable  puedan  parecer  un  ambiente  hostil
para el crecimiento microbiano debido a las bajas concentraciones de carbono, presencia de
desinfectante,  generalmente  bajas  temperaturas  y  regímenes  de  flujo  que  parecen  no
promover  la  proliferación  bacteriana,  el  estudio  de  la  formación  de  biopelícula  en  este
medio se encuentra bien documentado.

El ingreso de los microorganismos al sistema de distribución se puede dar por deficiencias
en  los  sistemas  de  tratamiento  en  las  plantas  de  potabilización  como  también  por
fluctuaciones  en  la  presión  del  agua  que  puede  generar  ondas  negativas  de  presión  o
secciones de vacío, haciendo posible la entrada de los mismos debido a posibles fisuras en
la  red  de  tuberías,  uniones  etc.,  que  permiten  el  paso  de  infiltración  que  arrastra  tanto
microorganismos como sustrato para alimentar y promover la proliferación de los mismos.
En  la  Figura    1  se  presentan  los  porcentajes  de  ocurrencia  de  diversas  fallas  en  tuberías,
(Ávila & Clavijo).

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Figura 1. Porcentaje de causas de daños en las tuberías según el material (Ávila & Clavijo).

Adicionalmente,  varios  compuestos  se  encuentran  diferencialmente  disponibles  a  los
microorganismos  para  su  uso  como  fuente  de  energía.  Aquel  que  está  principalmente
asociado  con  el  crecimiento  bacteriano,  conocido  como  Carbono  Orgánico  Disuelto
Biodegradable  (COBD)  usado  principalmente  para  procesos  metabólicos  y  otro  utilizado
para  la  generación  de  biomasa  conocido  como  Carbono  Orgánico  Asimilable  (COA)
(Reynolds).  Aún  así,  se  sabe  que  existe  otro  tipo  de  nutrientes  como  nitrógeno,  fósforo  o
algunas  trazas  de  metales  que  pueden  contribuir  al  desarrollo  y  proliferación  de  los
microorganismos.

El  número  y  nivel  de  actividad  celular  presente  en  las  biopelículas  es  dependiente  de  la
fuente  de  carbono  de  la  cual  se  alimentan;  adicionalmente  se  encuentra  que  existe  una
relación  entre  esta,  el  tipo  de  tubería  y  la  formación  de  la  biopelícula  que  complica  el
entendimiento de la dinámica de crecimiento, (A. Camper, 1999).

2.1.2.1 Etapas de formación
El establecimiento y desarrollo de biopelículas en las paredes de las tuberías se puede
explicar en varias etapas las cuales serán explicadas a continuación, (Hernández, 2010).

Primera Etapa: Acondicionamiento de la superficie

En esta, se neutralizan las posibles cargas que puedan tener los compuestos orgánicos
presentes en el agua que se depositan en las paredes de las tuberías para facilitar el posterior
acercamiento de los microorganismos.

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Segunda Etapa: Adhesión de bacterias pioneras

En la Tabla 1 se presentan las variables más importantes en la adhesión celular de
microorganismos para la formación de biopelículas; en esta es posible notar la importancia
de las propiedades del fluido en su formación como también las características de las
células pioneras para poder llegar a establecerse en las paredes de las tuberías.

Frente a las características del fluido, las bacterias libres que se encuentran en el agua
pueden acercarse a la zona límite, donde la velocidad de flujo tiende a cero y establecerse
en las paredes de la tubería por medio de fuerzas electrostáticas y físicas, favorecida por su
estructura celular (cilios o fimbrias). Posterior a esto, comienza la elaboración de
estructuras más complejas que promoverán la fijación.

Tabla 1. Variables importantes en la adhesión celular para la formación de biopelículas,

(Dolan, 2002).

Tercera Etapa: Formación de las sustancias poliméricas extracelulares (EPS)

La formación de EPS (por sus siglas en inglés) facilita la fijación de los microorganismos a
las paredes de la tubería ya que son polímeros de tipo adhesivo.
Las EPS se encuentran altamente hidratadas  ya que pueden incorporar grandes cantidades
de agua en su estructura por medio de enlaces de hidrógeno; ante esto vale la pena resaltar
que  pueden  ser  hidrofóbicas  e  hidrofílicas,  que  su  composición  determina  su  estructura
(rígida, deformable, soluble) y que ésta varía dependiendo del tipo de microorganismo que
la genere y de la disponibilidad de nutrientes del medio, (Dolan, 2002).

De    la  misma  forma,  la  diversidad  de  microorganismos  en  las  biopelículas  puede
presentarse  gracias  a  la  matriz  de  las  EPS  que  además  de  servir  para  aislar  los
microorganismos  del  medio,  también  sirve  para  separar  micro  colonias  de  diferentes
organismos celulares por medio de canales de agua. En la Figura 2, es posible observar una

Propiedades del sustrato

Propiedades del fluido

Propiedades de las células

Velocidad

Hidrofobicidad de la superficie celular

Temperatura

Cationes

Presencia de agentes antimicrobianos

Textura o rugosidad

Hidrofobicidad

Sustancias poliméricas extracelulares (EPS)

Fimbrias y flagelos

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biopelícula de P. aeruginosa, Klebsiella pneumoniae y Flavobacterium spp. que se ha
desarrollado en una superficie de acero en un sistema de agua potable en un laboratorio. La
Figura 2 muestra claramente dichos canales en los cuales se permite la difusión de
nutrientes, oxígeno y agentes anti microbianos.

Figura 2. Biopelícula desarrollada en una superficie de acero, analizada con microscopia de

epifluorescencia, (Dolan, 2002).

Cuarta Etapa: Desarrollo, reproducción y colonización de microorganismos
secundarios

Tras la acumulación de nutrientes los microorganismos empiezan a reproducirse,
aumentando proporcionalmente la matriz de EPS y el área cubierta por la biopelícula,
promoviendo la adhesión de más microorganismos y la secreción de sustancias poliméricas
la cual se hace bastante elevada, encontrando que las EPS pueden llegar a alcanzar del 50 al
90% del carbono orgánico presente en las biopelículas, (Dolan, 2002).

Las relaciones simbióticas se complejizan debido al ingreso de nuevos microorganismos
que encuentran en los residuos de los colonizadores pioneros, una fuente de sustrato para
desarrollarse.

Quinta Etapa: Desprendimiento y nueva colonización

A medida que la biopelícula se hace madura va ganando espesor e incrementa el esfuerzo
cortante por contacto con el fluido, posibilitando que células pioneras se desprendan y
colonicen aguas abajo nuevas secciones de tubería para comenzar el ciclo anteriormente
descrito.

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En la Figura 3 se presenta un esquema que resume las etapas anteriores.

Figura 3. Formación de biopelículas en tuberías. (Hernández, 2010)

2.1.3 Disponibilidad de nutrientes

Tal como se mencionó anteriormente, una mínima cantidad de nutrientes en el agua puede
promover la formación, crecimiento y desarrollo de microorganismos, cuyo ciclo puede
continuar hasta la formación de biopelículas altamente resistentes a condiciones extremas.

El requerimiento de nutrientes para el desarrollo y multiplicación de microorganismos está
ligado  a  la  disponibilidad  de  carbono,  fósforo  y  nitrógeno.    En  casos  donde  dichos
nutrientes  se  encuentren  limitados,  los  microorganismos  pueden  entrar  en  un  estado  de
latencia reduciendo su actividad metabólica y requiriendo cantidades mínimas de estos para
poder  sobrevivir,  esperando  encontrar  las  condiciones  apropiadas  para  su  desarrollo  y
reproducirse.

En la Tabla 2 se pueden apreciar diversos tipos de nutrientes que intervienen en el
crecimiento de microorganismos en sistemas de distribución de agua potable, como su
posible fuente de entrada al mismo, (Donoso, 2009).

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Tabla 2. Nutrientes encontrados en sistemas de distribución de agua potable.

Nutrientes

Fuentes

Carbón

Orgánico

Ácidos húmico y fúlvico propios del agua

Plastificantes y solventes

Plásticos reforzados con fibra de vidrio

Lubricantes de bombas y equipos

Subproductos microbianos

Polvo

Nitrógeno

Ácidos húmico y fúlvico propios del agua

Nitratos y nitritos del agua

Subproductos microbianos

Polvo

Fosforo

Fosfatos del agua

Subproductos microbianos

Polvo

Azufre

Sulfatos del agua

Acido sulfúrico (proveniente del pre

tratamiento)

Surfactantes

Polvo

Metales y

trazas

Elementos metálicos y sales del agua

Plásticos reforzados con fibra de vidrio

Componentes de acero inoxidable

Químicos adicionados en el tratamiento

Polvo

De  la  tabla  anterior  es  posible  notar  que  existen  varias  fuentes  de  nutrientes  que  pueden
llegar  a  contribuir  a  la  formación  de  biopelículas,  por  lo  cual  su  limitación  y  estudio  se
hacen complejos y más teniendo en cuenta la adaptabilidad de los microorganismos debido
al desarrollo de estados de latencia.

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2.1.4 Resistencia a los desinfectantes

Gracias a las EPS secretadas por las biopelículas, las comunidades microbianas pueden no
solo encontrar un medio de establecimiento, alimento y defensa frente a cambios térmicos y
micro-ambientales,  sino  también  adoptar  cierta  resistencia  frente  a  la  concentración  de
desinfectante  que  queda  remanente  tras  la  salida  de  las  plantas  de  potabilización,
propiciando  un  ambiente  óptimo  para  el  establecimiento  y  desarrollo  de  patógenos  que
pueden generar problemas en la salud de la población.

La  concentración  de  cloro  residual  en  los  sistemas  de  distribución  de  agua  potable  es  un
requerimiento  generado  con  base  en  el  Decreto  1575  y  la  Resolución  2115  de  2007  del
Ministerio  de  Protección  Social  y  el  Ministerio  de  Ambiente,  Vivienda  y  Desarrollo
Territorial,  el  cual  establece  que  el  sistema  debe  mantener  una  concentración  de  cloro
residual  de  0.3  a  2  mg/L  en  cualquier  punto  de  la  red,  con  lo  cual  se  garantiza  la
desinfección de microorganismos en el agua sin afectaciones a la salud humana. A pesar de
esto,  debido  a  que  la  masa  de  EPS  secretada  es  considerable  frente  a  la  población
microbiana presente, esta sirve de barrera para los microorganismos que se encuentran más
cercanos a la pared del tubo, haciendo que los agentes antimicrobianos no sean efectivos.

Además de la protección lograda por las EPS, los microorganismos con el tiempo también
pueden desarrollar cierta resistencia o capacidad de adaptación reflejada en cambios a nivel
celular como lo es el cambio en el contenido de lípidos, lipo-polisacaridos, purinas y hasta
de la membrana citoplasmática, así pues, los microorganismos que se encuentran más cerca
de la pared del tubo están más seguros que los que se encuentran en contacto directo con el
agua, con lo cual aunque algunos de estos mueran, mandan señales de alerta a los
microorganismos vecinos para que estos puedan generar una respuesta ante el estrés del
medio y sobrevivir haciéndose más resistentes.

A pesar de lo anterior, existen estudios orientados a investigar si la dosis de desinfectante
remanente en el sistema de distribución es suficiente para evitar el crecimiento de
biopelículas en el mismo, encontrando que no se puede limitar únicamente a un tratamiento
con desinfectante para controlar el crecimiento de las mismas en el sistema de distribución,
sino que es necesario encontrar una forma de remover la materia orgánica de una manera
más eficiente, (J Chandy, 2001).

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2.1.5 Efecto del material de la tubería en el desarrollo de biopelículas.

Las características de los materiales de las tuberías tienen gran influencia en las densidades
de bacterias que se fijan a sus paredes. La rugosidad por ejemplo, ha sido identificada como
un factor importante que afecta el establecimiento de microorganismos en las tuberías.  La
estabilidad, relacionada con la corrosión,  puede promover espacios de establecimiento de
microorganismos,  tanto  así  como  para que la  biopelícula  se convierta  en  una  barrera para
evitar  corrosiones  mayores  en  las  tuberías  y  por  último,  la  composición  química  del
material  puede  llegar  a  afectar  la  composición  microbiológica  presente  en  la  biopelícula
formada.

2.1.5.1 Materiales en la red de distribución

El  sistema  de  distribución  de  agua  potable  en  Bogotá  cuenta  con  tuberías  antiguas
fabricadas  especialmente  en  materiales  como  asbesto-cemento  y  en  hierro  fundido.  Del
primero, se estima que existen cerca a 2000 km de tubería y del segundo aproximadamente
500 km (Ávila & Clavijo) . Para el caso de redes en instalaciones domésticas, los materiales
comúnmente  usados  para  las  construcciones  fueron  acero  galvanizado  y  cobre,  los  cuales
tienen  una  tendencia  a  ser  reemplazados  por  materiales  plásticos,  principalmente  porque
son  más  económicos  y  ayudan  a  prolongar  su  vida  útil.  Con  base  en  lo  anterior,    se  hace
necesario detallar no solo las propiedades los materiales en  la red, sino también estudiar la
posible  contribución  de  nutrientes  por  parte  de  los  mismos  que  promueven  el
establecimiento y crecimiento de biopelículas, (Niquette Patrick, 2000).

En un experimento que pretendía evaluar la contribución de sustrato en forma de carbono
orgánico  total  de  alguno  de  los  materiales  de  las  tuberías  a  los  microorganismos,  se
encontraron los resultados de la Tabla 3, (Hernández, 2010).

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Tabla 3. COT presente en materiales de diferentes tuberías, (Hernández, 2010).

Material

COT

(mg/L)

Vidrio

2.78±0.4

Cobre

4.15±0.17

Polibutileno

4.46±0.15

PVC

5.42±0.11

Polipropileno

5.98±1.56

Polietileno

179±0.82

Etileno-

propileno

157±0.84

Látex

320±19.4

Tal como se observa, se encuentra que el material que menos COT aporta  es el vidrio, por
lo  tanto  se  espera  que  en  este  tipo  de  tuberías  el  crecimiento  de  biopelículas  no  sea  muy
elevado, caso contrario de lo que ocurriría con el látex.

De manera similar en un estudio realizado (Niquette Patrick, 2000), se evaluó el impacto de
los materiales de las tuberías en la densidad de biomasa en un sistema de distribución de
agua potable, encontrando los resultados presentados en la Figura 4.

Figura 4. Biomasa presente en cada tipo de tubería (Niquette Patrick, 2000).

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En esta, es posible notar que existe una marcada preferencia de crecimiento microbiológico
en tuberías de hierro, acero, y asbesto-cemento comparado con aquellas basadas en
materiales plásticos como PVC y polietileno.

A continuación se describen algunas de las características de materiales usados para la
fabricación de tuberías, (Gamarra, 2005).



Asbesto-cemento: Son estudiadas debido a que su uso fue común en sistemas de

distribución  desde  1920.  Estas  tuberías  construidas  con  concreto  (80%)  y
reforzadas  con  fibras  de  asbesto  (20%)  por  lo  cual  dentro  de  su  composición  es
posible  encontrar  cal  e  hidróxido  de  calcio  que  con  el  paso  del  tiempo  se  lavan
debido al transporte de agua debilitando la tubería y generando posibles fallas de la
misma, permitiendo el ingreso de material orgánico y promoviendo el desarrollo de
biopelículas, (Dunling Wang, 2010).



Hierro: Estimula el crecimiento de microorganismos debido a problemas de

corrosión y formación de hendiduras, facilitando el establecimiento de biopelículas
en las mismas. En contacto con cloro forma hidróxidos disminuyendo la presencia
de cloro libre en el agua y haciendo más fácil la proliferación de microorganismos,
por lo que es considerado un material donde existe mayor densidad de biopelículas,
posiblemente debido a la acumulación de nutrientes, rugosidad y mayor demanda
de desinfectante.
Vale la pena recordar que la generación de biopelículas también está afectada por la
rugosidad de las paredes de la tubería, encontrando que las más rugosas tienen
mayor numero de microorganismos comparadas con las superficies lisas o pulidas,
(Keinanen, 2006).



Cobre: La formación de biopelículas en este tipo de material es lenta y no posee

gran  variedad  de  microorganismos,  por  lo  cual  es  poco  densa.  Este  fenómeno  se
cree  que  ocurre  debido  a  que  los  iones  de  cobre  pueden  inhibir  la  presencia  de
algunos  nutrientes  que  son  necesarios  para  el  crecimiento  de  algunos  tipos  de
bacterias.



Polietileno: material termoplástico, ampliamente usado debido a su resistencia

química, resistencia a la corrosión y bajo precio. Tiene la capacidad de albergar
varios microorganismos debido a que aporta suficientes nutrientes para que se dé la
formación rápida de biopelículas. Aun así comparado con otro tipo de materiales, la
colonización de microorganismos no es alta.

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

PVC: cuenta con alta resistencia mecánica y a los ácidos; se ha comprobado que

este  tipo  de  material  alberga  menos  cantidad  de  microorganismos  comparado  con
los  que  pueden  albergar  materiales  como  el  hierro.  Aun  así,  en  su  superficie  se
desarrolla  mayor  densidad  de  biopelícula  comparado  con  la  encontrada  en
superficies  de  acero  inoxidable  soportando  la  idea  que  los  microorganismos
colonizan con mayor facilidad las superficies hidrofóbicas, (Donoso, 2009).

Las biopelículas formadas son de crecimiento lento pero cuentan con gran densidad
y diversidad.

En varias investigaciones dicha relación se estudió, encontrando una preferencia de
formación de biopelículas presentada en Tabla 4, (Keinanen, 2006).

Tabla 4. Preferencia en formación de biopelículas según el material de la tubería

(Keinanen, 2006).

Preferencia

formación

Año de estudio

1994

1999

2000

Látex

Hierro

Fundido

Hierro gris

Etileno-

propileno

Polietileno

Cemento

Polietileno

PVC

Acero al

carbón

Acero Suave

PVC

Polietileno

PVCc*

Polipropileno

Acero

Inoxidable

Vidrio

*Dentro  de  la  línea  de  materiales  de  PVC,    se  encuentra  una  clasificación  que
depende la terminación y uso del  producto,  encontrando el PVCc (Poli cloruro de
vinilo  clorado)  especialmente  usado  para  transportar  líquidos  con  temperaturas  de
operación por encima de los 100°C.

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De la Tabla anterior es necesario resaltar que aunque todos los estudios no se
realizaron con los mismos materiales, en cada uno de ellos se establece un orden de
preferencia de formación de biopelícula.

Adicionalmente y para los fines de este estudio, se encuentra que el polietileno en la
mayoría  de  casos  promueve  de  manera  más  marcada  la  formación  de
microorganismos comparado con el PVC y acero al carbón. Estos resultados serán
validados  experimentalmente  por  medio  de  un  montaje  que  será  presentado
posteriormente  ya  que  de  manera  general,  se  puede  establecer  que  el  tipo  de
material de tubería es un factor determinante en el desarrollo de biopelículas en las
paredes de las mismas.

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2.2 Aspectos Hidráulicos

2.2.1 Régimen de Flujo y Número de Reynolds

Tal  como  se  presentó  en  la  Tabla  1,  el  establecimiento  y  desarrollo  de  la  biopelícula  está
afectado  por  el  flujo  al  interior  de  la  tubería  debido  a  las  condiciones  físicas  y  químicas
presentes  en  el  mismo,  como  también  a  la  velocidad  de  transferencia  de  masa  entre
nutrientes-microorganismos.

El estudio de la clasificación del régimen de flujo en tuberías, trajo consigo el desarrollo del
número de Reynolds, por medio del cual es posible asociar las fuerzas viscosas con las
fuerzas inerciales en un fluido en movimiento:

(Ecuación 1)

Tal como se observa en la Ecuación 1, el Número de Reynolds es función de la viscosidad
cinemática (

), la velocidad (v) y el diámetro de la tubería (d); por medio de éste es posible

determinar el comportamiento de las partículas en el interior del fluido.

Así pues, según el número de Reynolds, el flujo se puede clasificar en:

Flujo laminar: las fuerzas viscosas predominan sobre las inerciales y por lo tanto no existe
intercambio molecular. En este se supone que el fluido se mueve en capas dispuestas una
sobre otras.

Flujo en transición: etapa intermedia entre el laminar y el turbulento, que se presenta
según las condiciones del experimento.

Flujo turbulento: las fuerzas inerciales predominan sobre las viscosas y existe mezcla
entre capas promoviendo el intercambio molecular, adicionalmente no existe velocidad
permanente por lo cual se habla de velocidad promedio, (Hernández, 2010).

En la Tabla 5 se presenta dicha la clasificación.

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Tabla 5. Clasificación del régimen de flujo según el número de Reynolds.

Tipo de Flujo

Rango

Laminar

Re<2200

Transición

2200< Re<4500

Turbulento

Re>4500

2.2.2 Pérdidas de presión por fricción

Las  pérdidas  por  fricción  en  flujos  turbulentos  en  movimiento  que  se  presentan  por  la
interacción  fluido-pared,  son  explicadas  por  medio  de  la  teoría  de  longitud  de  mezcla  de
Prandlt,  la  cual  establece  que  existe  un  esfuerzo  de  corte  causado  por  la  viscosidad  del
fluido y su roce con las paredes de la tubería.

La anterior fuerza de presión es la responsable de las pérdidas por fricción en tuberías y se
representa mediante la Ecuación 2.

(Ecuación 2)

donde

es el esfuerzo cortante,

es el diámetro de la tubería, es la densidad del fluido,

es la aceleración de la gravedad,

es la pérdida de presión piezométrica y

es la longitud

en la que se produce dicha pérdida, (Saldarriaga, 2007).

Adicionalmente, en el flujo turbulento la presencia de la pared de la tubería impide que las
partículas vibren libremente, es decir, la velocidad de las partículas se aproxima a cero
impidiendo la mezcla de las capas de flujo donde se forma una zona laminar denominada
subcapa laminar viscosa.

El espesor de la subcapa laminar es el que establece la diferencia entre los flujos lisos y los
flujos rugosos y se determina por medio de la Ecuación 3.

(Ecuación 3)

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donde

es el espesor de la subcapa laminar viscosa, es la viscosidad cinemática y

la velocidad de corte que equivale a

√

Los rangos que determinan si el flujo es liso o rugoso dependiendo de la magnitud del
espesor de la subcapa y el coeficiente de rugosidad k

se determinan en la Tabla 3,

(Saldarriaga, 2007).

Tabla 6. Tipos de flujo dado el espesor de la subcapa laminar viscosa.

Tipo de Flujo

Rango

Liso

Transición

Rugoso

Adicionalmente, por medio de la ecuación de Darcy-Weisbach es posible describir las
pérdidas por fricción en función de la velocidad, el diámetro de la tubería y el tipo de
material como se muestra en la Ecuación 4.

(Ecuación 4)

donde

son las pérdidas de presión calculadas por medio de la diferencia de alturas leídas

entre piezómetros instalados en la tubería,

es el factor de fricción, es la longitud de la

tubería en la que se presenta la pérdida,

es el diámetro de la tubería, v es la velocidad del

flujo y

es la aceleración de la gravedad, (Saldarriaga, 2007).

De la Ecuación 4, todos los parámetros son conocidos a excepción del factor de fricción,
reordenando términos se tiene:

(Ecuación 5)

Adicionalmente la rugosidad puede ser calculada por medio de la Ecuación 6.

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√

(

√

)

(Ecuación 6)

donde

es el factor de fricción, es el número de Reynolds y

es la rugosidad

relativa de la tubería.

La Ecuación 6 es conocida como la forma implícita de Colebrook–White (1939) y  se basa
en  los  estudios  realizados  por  Prandlt  y  von  Karman  de  los  cuales  se  estableció  que  para
definir el factor de fricción en la zona de transición debían realizar una combinación entre
las ecuaciones que describen el flujo liso (hallada con rugosidades absolutas igual a cero) y
el  rugoso  (hallada  con  rugosidades  exageradamente  mayores  a  las  comerciales),
encontrando  que  el  comportamiento  se  podía  describir  por  medio  de  la  ecuación
anteriormente descrita.

2.2.3 Diagrama de Moody

El  diagrama  de  Moody  es  el  resultado  de  los  estudios  realizados  por  el  ingeniero  Lewis
Moody  en  el  año  1944  y  es  una  manera  gráfica  de  representar  para  cada  tipo  de  flujo,  la
relación  de  las  pérdidas  por  fricción  para  tuberías  reales  con  la  rugosidad  relativa  de  la
tubería y el número de Reynolds.

En la Gráfica 1 es posible apreciar lo que ocurre para cada una de las clasificaciones de
flujo presentadas en la Tabla 5.

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Gráfica 1. Diagrama de Moody. (Hernández, 2010).

Tal como se observa, cuando el flujo es laminar, el factor de fricción es dependiente
únicamente del número de Reynolds y no se ve afectado por la rugosidad relativa.

En el proceso de transición, cuando el Reynolds es cercano a 2200 las curvas se aproximan
asintóticamente al comportamiento del flujo hidráulicamente liso; a medida que el caudal se
incrementa, las curvas dejan de ser función de Reynolds y pasan a ser dependientes de la
rugosidad relativa únicamente.

Finalmente, cuando el flujo es completamente turbulento el factor de fricción es
dependiente de la rugosidad relativa; ante esto es necesario recordar que la clasificación de
régimen para flujo de agua en tuberías es mayoritariamente transicional.

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2.2.4 Pérdidas menores

Las pérdidas menores asociadas con los accesorios del sistema como lo son reducciones,
expansiones, codos y válvulas están descritas por la Ecuación 7:

∑

(∑

)

(Ecuación 7)

donde:

= pérdidas menores.

= coeficiente de resistencia, que depende de los accesorios.

v = velocidad.

En el presente estudio, las pérdidas no serán tenidas en cuenta en este caso por ser
consideradas mucho más pequeñas que las generadas por la fricción en la longitud de
tubería y debido a que no se cuenta con muchos accesorios en el modelo.

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3. Descripción del modelo

Para cumplir con los objetivos propuestos en esta investigación, se construyó un montaje en
el Laboratorio de Hidráulica de la Universidad de los Andes.

Las diferentes vistas del modelo realizadas en AutoCad™ se presentan en las Figuras 5 y
6.

…

Figura 5. Vista superior del montaje.

…

Figura 6. Vista lateral del montaje.

Tal como se indica en la Figura 6, el sistema de recirculación se logra por medio de la
captación de agua por parte de la bocatoma ubicada en la parte izquierda del montaje. La
dirección del agua está representada por la orientación de las flechas.

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3.1 Proceso de construcción

El proceso de construcción del montaje inicia con la instalación de las estructuras
disipadoras de energía, las cuales se colocan en cada uno de los canales donde se ubicarán
los vertederos. Tal como se aprecia en la Figura 7, cada estructura está comprendida por
una malla metálica en la cual se dispondrán piedras de río que servirán para disminuir la
energía de llegada del agua desde la parte inicial del montaje.

Figura 7. Estructuras disipadoras de energía.

Como se muestra en la Figura 8, se instalan los vertederos triangulares en dirección normal
al  flujo  y se pegan  con silicona para evitar fugas de  agua. Cada vertedero está construido
con láminas  de  acrílico transparente  con  apertura de 60° debido a la facilidad  y precisión
que proporcionan en el análisis de datos.

Nota: En el Procedimiento experimental (Capítulo 4) será explicado el proceso de
recolección de datos.

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Figura 8. Instalación de Vertederos.

Posteriormente, se procede a pegar los accesorios que permitirán la alimentación desde el
tanque de almacenamiento hacia cada una de las tuberías, la instalación de las válvulas por
medio de niples y su ajuste con las secciones libres de tubería tal como se observa en la
Figura 9.

Figura 9. Ubicación de secciones libres de tubería.

Nota:  La  sección  de  tubería  de  polietileno  no  fue  instalada  debido  a  que  estaba  torcida
formado  un  arco,  razón  por  la  cual  fue  necesario  dejarla  cerca  de  dos  meses  amarrada  a
estructuras  resistentes  para  poder  dejarla  lo  más  recta  posible  e  instalarla  en  el  montaje,
dicho inconveniente se puede observar en la Figura 10.

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Figura 10. Adecuación de tubería de PE.

Para evaluar los aspectos microbiológicos cada tubería cuenta con 24 testigos de borde con
dimensiones de 4 cm de ancho y 7 cm de largo y un testigo de cabeza de 10 cm de ancho y
10 cm de largo; estos se encuentran situados en la parte superior de la tubería como se
observa en la Figura 11.

Figura 11. Corte de testigos.

Para la adecuación de testigos, se hizo necesario usar secciones de tubo o “sobre testigos”
que permitieron el amarre a la tubería instalada, los cuales fueron sellados con neopreno y
abrazaderas para evitar fugas y permitir su posterior extracción para evaluar el crecimiento
de la biopelícula y el espesor generado con el paso del tiempo.

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Finalmente, para analizar las pérdidas de presión provocadas por la presencia de los
microorganismos y el cambio de la rugosidad de las paredes de la tubería, se instalan 10
piezómetros, 8 orientados a 45° del eje de cada tubo y 2 en la parte baja de los mismos.

Cada tubería es perforada tal como se presenta en la Figura 12.

Figura 12. Instalación de piezómetros.

Se realizan 4 perforaciones aguas arriba y 4 aguas abajo de la dirección del flujo (Ver
Figura 13), la separación entre estos dos puntos en todos los casos es de 210 cm debido a
las limitaciones de espacio.

Para concluir,  se ubican  las mangueras en cada perforación  para permitir  el  flujo  de agua
por  cada  una  de  ellas  y  se  procede  a  ajustarlas  en  un  tablero  piezométrico  en  el  cual  se
leerán  los  cambios  de  altura  de  la  columna  de  agua  que  representarán  las  pérdidas  por
rugosidad en la tubería tal como se aprecia en las Figuras 13 y 14.

Figura 13. Instalación de mangueras.

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Figura 14. Tablero Piezométrico.

Para  el  caso  de  los  piezómetros  que  se  encuentran  en  la  parte  baja  de  cada  tubería,  la
conexión se realiza directamente a un sensor diferencial de presión presentado en la Figura
15 donde se destaca por medio de flechas de color azul y rojo, la conexión del piezómetro
que  se  encuentra  aguas  abajo  y  aguas  arriba  respectivamente.  La  lectura  del  cambio  de
presión  reportada se presenta en mili bares (mbar);  dicho valor es convertido a metros  de
columna  de  agua  y  comparado  con  las  pérdidas  de  presión  encontradas  por  medio  de  la
lectura en el tablero piezométrico.

Figura 15. Sensor diferencial de presión y ubicación de piezómetros.

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3.2 Proceso de recirculación

En la Figura 16 se puede observar la parte inicial del modelo donde se encuentra el tanque
elevado,  encargado  de  suministrar  la  altura  piezométrica  suficiente  a  cada  tubería  para
generar  los  caudales  y  velocidades  de  interés  del  estudio;  dicho  tanque  es  alimentado
gracias  a  la  acción  de  una  motobomba,  cuando  el  tanque  llega  a  determinada  capacidad,
rebosa, manteniendo un volumen constante, (Ver Figura 17).

Adicionalmente, se observa que la alimentación está regulada por la manipulación de tres
válvulas tipo cortina de 4” (una para cada tubería).

Figura 16. Sección inicial del montaje

La parte media del modelo cuenta únicamente con secciones de tubería libre y dos soportes
metálicos, los cuales permiten descansar los tubos que se encuentran elevados 60 cm del
suelo a fin de permitir la captación de agua de la bomba (bocatoma) y establecer el sistema
de recirculación por 8 horas para aproximar el estudio a lo que ocurre en un sistema de
distribución de agua potable.

El largo total de la tubería es de 5 m en todos los casos (PVC, Acero y Polietileno).

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Figura 17. Rebose de tanque elevado.

Por último, en la Figura 18 se observa la parte final del modelo donde se encuentran los
vertederos triangulares, en los que se realiza el aforo del caudal y por medio de los cuales el
agua retorna al tanque de almacenamiento para continuar con el proceso de recirculación.

Figura 18. Sección final del montaje.

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Para  promover  el  crecimiento  de  la  biopelícula,  el  sistema  es  alimentado  cada  8  días  con
pasto,  el  cual  contiene  carbono,  nitrógeno  y  fósforo,  nutrientes  importantes  para  el
desarrollo de microorganismos como se explicó anteriormente.

Para evitar el crecimiento de algas, se limita el proceso fotosintético manteniendo el
laboratorio con el mínimo posible de luz.

3.3 Selección de velocidad de flujo

A fin de determinar el efecto del material de las tuberías en el crecimiento de biopelículas,
se espera que las condiciones en estas se mantengan similares para no generar variaciones
que sean reflejadas en resultados alterados.

Para este caso, se establece una velocidad de 1 m/s para las tres tuberías, verificando que se
garantice flujo turbulento y se observan los resultados.

El valor de velocidad se estableció teniendo en cuenta que a mayores velocidades es posible
que la biopelícula se resuspenda haciendo más complejo su análisis debido a que no queda
adherida a la superficie de la tubería; dicho evento se quiere descartar por completo (al
menos en etapas tempranas).

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4 Procedimiento Experimental

4.1 Calibración de vertederos

Para determinar el caudal que pasa por cada una de las tuberías es necesario realizar el
proceso de calibración de cada uno de los vertederos registrando las alturas de la lámina de
agua generada para cada caudal.

Las alturas serán leídas con ayuda de un limnímetro y los caudales serán reportados por un
caudalímetro.

Se espera que el comportamiento tenga una tendencia potencial tal como se muestra en la
Ecuación 7.

(Ecuación 7)

donde los valores de C y

se determinan por medio de los datos experimentales y su

correspondiente ajuste potencial.

4.2 Recirculación diaria

El montaje propuesto fue construido de forma tal que fuera factible la recirculación diaria
por 8 horas a fin de simular las condiciones presentes en un sistema de distribución de agua
potable.

4.3 Determinación del volumen del sistema

En la determinación del volumen del sistema se tiene en cuenta:

El tanque de almacenamiento.

La piscina de almacenamiento del agua de recirculación.

Los vertederos.

Las tuberías.

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A continuación se presentan los cálculos correspondientes para conocer el volumen total
del sistema:

Para los tanques y vertederos:

Para las tuberías:

De lo anterior es posible encontrar los resultados de las Tablas 7 y 8.

Tabla 7. Volumen en tanques y vertederos.

Dimensión

Tanque

elevado

Tanque de

recirculación

Vertederos

Alto[m]

0.83

0.60

1.16

Ancho [m]

1.60

1.40

0.38

Largo [m]

1.19

5.70

1.50

Volumen [m

]

1.58

4.79

1.96

Tabla 8. Volumen en tuberías.

Dimensiones

Tubería

Diámetro [m]

0.1016

Longitud [m]

Volumen [m

]

0.12

Sumando los resultados de las Tablas 7 y 8 se tiene que el volumen total del sistema es de
8.4 m

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4.4 Cloración del sistema

Nuevamente, a fin de mantener las condiciones del sistema lo más cerca posible a las
encontradas en un sistema de distribución de agua potable, se requiere que la
concentración de cloro residual en el sistema esté establecida tal como lo indica la
Resolución 2115 de 2007 del Ministerio de Protección Social, correspondiente a valores
entre 0.3 y 2 mg/L.

En este caso y con base en investigaciones similares llevadas a cabo en la Universidad de
los Andes, se establece que para este montaje se espera mantener el cloro residual un valor
de 0.5 mg/L.

Para esto se utiliza hipoclorito de calcio granular HTH ya que en otras investigaciones ha
presentado buen comportamiento y fácil disolución en agua, (Hernández, 2010).

Debido a que el hipoclorito de calcio es sólido, al agregar agua se produce la siguiente
reacción:

( )

de la cual es posible notar que por cada mol de hipoclorito de calcio

( )

(144g) se

producen dos moles de Acido hipocloroso

(52g) por lo tanto:

( )

Teniendo en cuenta que el volumen de agua en el sistema es de 8.4 m

y la concentración de

cloro residual establecida para mantener en el sistema será de 0.5 mg/L, se tiene:

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Por tanto:

( )

La cantidad diaria que se debe alimentar al sistema será de 6 g aproximadamente.

Nota: En el proceso experimental se generará una curva de calibración de cloro para
evaluar por cuánto tiempo los 6 g de hipoclorito de calcio garantiza una concentración
remanente de cloro que cumpla con la legislación Colombiana.

4.5 Alimentación del sistema

Para la determinación de la fuente de carbono que servirá como alimento al sistema se tuvo
en cuenta cuáles podrían ser los contaminantes típicos de una red de distribución que
contribuyen a la formación y crecimiento de biopelículas; encontrando que el agua que
abastece las PTAP, está en permanente contacto con material orgánico vegetal, como hojas
o arbustos, por lo cual contiene carbono orgánico que al no ser retirado en el proceso de
tratamiento, servirá como alimento para contribuir al desarrollo de las biopelículas.

Por dicha razón, en este caso la alimentación al sistema se realizará por medio de
Pennisetum clandestinum o pasto Kikuyo a fin de establecer las condiciones del modelo lo
más cercanas posibles a las encontradas en un sistema de distribución de agua potable.

Los cálculos relacionados con la cantidad de materia orgánica que debe ser ingresada al
sistema no se encuentran referenciados por otros autores por lo cual se alimentará cada
ocho días promoviendo su distribución uniforme a lo largo de las tuberías, de la misma
manera que se realizó en el montaje propuesto por (Hernández, 2010).

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4.6 Recolección de datos

El procedimiento para la toma de datos para cada una de las tuberías se presenta resumido
en la Figura 19.

Figura 19. Proceso de toma de datos.

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A continuación se muestra el formato de recolección de datos:

Figura 20. Formato de recolección de datos.

Nota: En caso que se desee realizar análisis de testigos se debe apagar la recirculación del
montaje y desocupar cada una de las tuberías, para posteriormente retirar abrazaderas y
realizar el análisis microbiológico de los testigos.

P1 (High) P2 (High) P3 (High) P4 (High) P1 (Low) P2 (Low) P3 (Low)

P4 (Low)

1
2

.
.

Fecha

T°

Cloro

(mg/L)

Lectura Aguas arriba [cm]

Lectura Aguas abajo [cm]

sensor

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4.7 Manipulación de datos

La manipulación de datos para conocer el efecto hidráulico del crecimiento de biopelículas
en cada una de las tuberías de manera gráfica por medio del análisis del diagrama de
Moody se resume en la Figura 21.

Figura 21. Proceso de manipulación de datos para analizar las pérdidas por fricción.

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4.7.1 Análisis Microbiológicos

Para analizar el desarrollo y formación de biopelícula se requiere la extracción de testigos,
para determinar el espesor de la misma. En la Tabla 9 se muestran las ecuaciones necesarias
para determinar cualitativamente el desarrollo de la biopelícula tal como ha sido calculado
por otros autores, (Hernández, 2010).

Tabla 9. Ecuaciones para determinar el desarrollo de la biopelícula.

Testigos de Centro

Espesor promedio (

̅)

[ ]

(

)

(

)

Testigos de borde

Velocidad inicial (

)

[ dia]

Velocidad de desarrollo (

)

[ dia]

(

)

Espesor Máximo (

)

[ ]

eso

final

eso

donde:

spesor

: corresponde al espesor del testigo impar.

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spesor

: corresponde al testigo par o vecino.

[

]: es el área de la testigo, obtenida al multiplicar el largo por el ancho del mismo.

[

]: es el peso del testigo inicial, es decir sin el crecimiento de biopelícula. (Ver

Anexo 1.)

eso

final

[

]: Corresponde a la última medición del peso realizada en el proceso de toma de

datos del proyecto.

: es el espesor de la biopelícula según los datos encontrados en la última medición

: es el espesor de la biopelícula encontrado en la medición actual.

días: es la diferencia de días entre j+1 y j que se recomienda sea 7.

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5 Resultados y discusión

5.1 Calibración de vertederos.

El caudal y por tanto la velocidad constituyen uno de los aspectos más importantes para el
análisis hidráulico ya que con estos se podrán evaluar las pérdidas provocadas por la
fricción presente en las tuberías.

Para el aforo de cada uno de los verederos se procede tal como se indico previamente en la
Figura 21, de dicho procedimiento se obtiene la curva de calibración de cada uno de los
vertederos en función de la altura de la cresta de agua formada por encima del mismo. Las
ecuaciones encontradas servirán para calcular el caudal que pasa por cada una de las
tuberías.

Tal como se indica en las Gráficas 2 y 3, de la regresión potencial de los datos es posible
encontrar los valores de C y n de la Ecuación 7.

Gráfica 2. Curva de calibración del vertedero de la tubería de PVC.

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Gráfica 3. Curva de calibración del vertedero de la tubería de Acero Galvanizado.

Los resultados de las gráficas anteriores se resumen en la Tabla 10.

Tabla 10. Resultados calibración de vertederos

Vertedero

Ho (cm)

Ecuación de Q (L/s), HL

(cm)

Rango de

velocidades (m/s)

Tubería de PVC

16.89

(

)

0.68-1.83

Tubería de Acero

Galvanizado

16.92

(

)

0.82-1.54

Es necesario resaltar que la aplicación de las ecuaciones presentadas en la Tabla 10, están
sujetas  al  rango  de  velocidades  indicado,  por  tanto  en  caso  que  el  estudio  del  efecto
hidráulico  por  crecimiento  de  biopelículas  en  tuberías  requiera  cambiar  la  velocidad  del
agua,  (por  ejemplo  en  caso  que  se  desee  el  desprendimiento  de  la  biopelícula)  será
necesario  realizar  nuevamente  la  calibración  de  los  vertederos  para  el  nuevo  rango  de
velocidades.

Con los valores anteriores es posible realizar las mediciones necesarias para el cálculo de
las pérdidas por fricción en las tuberías.

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5.2 Curva de calibración de cloro.

Para conocer si la dosis de cloro ingresado al sistema y calculado en la Sección 4.4 es
suficiente y permanece por lo menos por un día, se realiza una calibración de la
concentración de cloro disuelto en el agua para un periodo de 20 horas.

Para esto se monitorea cada hora la concentración de cloro de una muestra de agua del
sistema, encontrando los resultados de la Gráfica 4.

Gráfica 4. Decaimiento de cloro.

Tal como se observa en la Gráfica 4, luego de agregar 6 g de Hipoclorito de Calcio al
sistema, se obtiene una concentración de cloro de 0.5 mg/L que permanece por ocho horas.

Después de este tiempo, el cloro remanente permanece en una concentración de 0.35 hasta
que después de 20 horas llega a un valor de 0.3 mg/L. Los resultados anteriores indican que
para simular el comportamiento en una red de distribución de agua potable, es necesario
clorar diariamente el sistema con la cantidad indicada anteriormente.

De no realizar este procedimiento, no se cumpliría la concentración de cloro remanente
según lo establecido por la regulación legal, lo que desencadenaría un aumento en el
crecimiento de los microorganismos y formación acelerada de biopelícula.

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5.3 Pérdidas por fricción y análisis gráfico por medio del Diagrama de Moody.

5.3.1 Rugosidad de las tuberías limpias.

Antes de iniciar con el análisis del efecto hidráulico de la formación de biopelículas en
tuberías, se establecerá la rugosidad de las mismas en el momento de arranque del montaje.
Este proceso se realiza a fin de evaluar la evolución de la colonización y desarrollo de la
biopelícula comparado con el estado inicial de las tuberías.

Para esto se llena el montaje con agua limpia y se permite la recirculación, se recolectan 10
datos de altura limnimétrica y se lee en el tablero piezométrico el cambio de altura que
refleja las pérdidas de presión entre el punto aguas arribas y aguas abajo, procedimiento
que se encuentra detallado en la Figura 19.

Los datos encontrados pueden ser analizados por medio de la representación gráfica del
Diagrama de Moody que se muestra en las Gráficas 5 y 6 para el PVC y el acero
galvanizado respectivamente.

En estas, se presenta de manera comparativa los resultados experimentales encontrados al
realizar la lectura piezométrica de la pérdida de presión frente a los datos arrojados por el
sensor diferencial de presión luego de ser manipulados como se indica en la Figura 21.

Como se puede observar en la Gráfica 5, aunque existe variación en el comportamiento de
los datos, estos se localizan en un rango de rugosidad relativa entre 5E-6 y 1E-5 con un
porcentaje de error máximo de 5.3% comparado con los datos hallados por medio del
sensor.

De manera similar, en la Gráfica 6 es posible notar que los datos experimentales ubican la
rugosidad relativa de la tubería de acero galvanizado entre 0.0015 y 0.0025 con un error
máximo de 9% frente a los resultados encontrados por medio el sensor.

Adicionalmente los resultados de las Gráficas 5 y 6 pueden ser contrastados frente a los
valores teóricos de rugosidad de los materiales de los que están construidas las tuberías.

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Gráfica 5. Determinación experimental de ks para la tubería de PVC.

0.015

50000

Diagrama de Moody

Tubería de PVC Limpia

Datos
experimen
tales

Datos
sensor

ks/d=0.002

ks/d=0.0015

ks/d=0.001

ks/d=0.0008

ks/d=0.0006

ks/d=0.0004

ks/d=0.0002

ks/d=0.0001

ks/d=1.0E-5

ks/d=5.0E-5

ks/d=5.0E-6

Arranque

del montaje

: Tubería

Limpia

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Gráfica 6. Determinación experimental de ks para la tubería de Acero.

0.01700

50000.000

Diagrama de Moody

Tubería de Acero Limpia

Datos
experimen
tales

Datos
sensor

ks/d=0.0006

ks/d=0.006

ks/d=0.004

ks/d=0.001

ks/d=0.002

ks/d=0.0008

ks/d=0.0004

ks/d=0.0002

Arranque

del montaje

: Tubería

Limpia

ks/d=0.0015

ks/d=0.0025

ks/d=0.003

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Tal como se observa en la Tabla 11, el RAS presenta para diferentes materiales el valor de
la rugosidad absoluta.

Tabla 11. Rugosidad absoluta de materiales (RAS, 2000)

Para este caso la rugosidad absoluta promedio de las tuberías limpias se presenta en la
Tabla 12 con el porcentaje de error comparado con el valor de la rugosidad presentado por
el RAS.

Tabla 12. Comparación de rugosidad absoluta

Material

Rugosidad absoluta

Error

Experimental Teórica

PVC

0.00182

0.0015 21.1%

Acero

Galvanizado

0.199

0.15

32.5%

Al comparar los resultados encontrados experimentalmente con los teóricos, es posible
notar que se presenta un error de 21.09% para el PVC y de 32% para el acero galvanizado,
los cuales pueden estar asociados posiblemente con la acumulación de error en el proceso
de cálculo de la rugosidad, desde la lectura limnimétrica y piezométrica, hasta el error
debido a la aproximación de datos en las ecuaciones utilizadas para el cálculo.

De manera similar, se puede establecer que el acero galvanizado presenta un error mayor,
relacionado  probablemente  con  la  naturaleza  de  sus  paredes  internas,  que  tienen
protuberancias  que  pueden  afectar  su  rugosidad  significativamente,  caso  muy  diferente  al
encontrado  con  la  tubería  de  PVC  en  la  que  sus  paredes  se  encuentran  uniformemente
distribuidas sin protuberancias relevantes observables.

Los valores anteriores servirán como referencia para evaluar la evolución del factor de
fricción y la rugosidad a medida que se genera el crecimiento de la biopelícula.

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5.3.2 Comportamiento durante recirculación y efecto del desarrollo de la biopelícula

sobre el factor de fricción de Darcy Weisbach

A continuación se muestran las gráficas del Diagrama de Moody para las tuberías de PVC y
acero galvanizado correspondientes al análisis de datos recolectados durante 15 días de
recirculación, donde se tomaron mediciones cada cuatro días.

En la Gráfica 7 es posible notar que para el caso del PVC el comportamiento del factor de
fricción y la rugosidad relativa tienden a amentar a medida que va pasando el tiempo y que
con los datos encontrados los valores de k

/d no han estado por encima de 0.0004.

Adicionalmente, conocido el espesor de la subcapa laminar

se puede encontrar que desde

el día cero hasta el día 15, el régimen de flujo ha pasado de ser turbulento hidráulicamente
liso a comportarse como flujo turbulento de transición, lo que puede indicar que
probablemente se ha comenzado el proceso de colonización de la biopelícula en las paredes
de la tubería.

Ante esto será necesario esperar a que la recirculación continúe y la biopelícula se
desarrolle completamente, para observar si luego de esto se presenta alguna tendencia más
clara, ya que la recirculación sólo se ha producido por 15 días.

De manera similar, el comportamiento de los datos recolectados en la tubería de acero
galvanizado se encuentra representados en el Diagrama de Moody de la Gráfica 8.

Los datos presentados, demuestran un comportamiento similar al encontrado en la tubería
de PVC, pues se observa que los datos tiene una tendencia a aumentar a medida que pasa el
tiempo.

En este caso, la máxima rugosidad relativa alcanzada durante el tiempo de recirculación se
encuentra alrededor de 0.01 pero la mayor densidad de datos se encuentra cerca a valores
de k

/d de 0.006.

Adicionalmente, para la tubería de acero galvanizado no se puede comparar el cambio de
régimen de flujo por medio de la subcapa laminar, pues desde el arranque del sistema, se
contaba

con

flujo

turbulento

hidráulicamente

rugoso.

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Gráfica 7. Comportamiento del crecimiento de biopelícula en la tubería de PVC.

0.01500

50000.000

Diagrama de Moody

Tubería de PVC

ks/d=

5E-5

ks/d=0.002

ks/d=0.0015

ks/d=0.0002

ks/d=0.0006

ks/d=0.0001

ks/d=

1E-5

ks/d=5E-6

DIAS

ks/d=0.0004

ks/d=0.0008

ks/d=0.001

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Gráfica 8. Comportamiento del crecimiento de biopelícula en la tubería de Acero

0.02

50000

Diagrama de Moody

Tubería de Acero

ks/d=0.002

ks/d=0.004

ks/d=0.0015

ks/d=0.001

DIAS

ks/d=0.003

ks/d=0.006

ks/d=0.01

ks/d=0.0025

ks/d=0.0015

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5.4 Aspectos Microbiológicos.

Los resultados de los aspectos microbiológicos no pudieron ser estudiados debido a que le
tiempo de recirculación no fue suficiente para permitir la colonización y crecimiento de la
biopelícula en las paredes de la tubería.

Aun así, los resultados esperados están orientados a la comparación y análisis de los valores
de la rugosidad absoluta k

, el espesor de la biopelícula E

y el espesor de la subcapa

laminar viscosa

y su relación con el sustrato ingresado al sistema y el desarrollo de la

biopelícula en las paredes de las tuberías.

Para determinar si el crecimiento de la biopelícula afecta significativamente la rugosidad de
las paredes de la tubería, será necesario registrar los cambios en el tiempo del k

y de la

subcapa laminar como se presentó anteriormente, como también registrar el peso de los
testigos para conocer con base en el peso inicial del testigo, el espesor de la biopelícula, tal
como se presentó en la Figura 22.

Ante esto, tal como se presenta Hernández (2010), en su proyecto de grado: “Modelación
de biopelículas en redes de distribución de agua potable alimentadas con carbono orgánico
biodegradable” el principal efecto hidráulico de la biopelícula en las tuberías de
distribución de agua potable es el aumento del valor de coeficiente de rugosidad absoluta,
donde la magnitud del aumento depende de la velocidad del flujo en la tubería, que en este
caso se mantuvo constante en las dos tuberías para determinar el efecto del material de la
tubería.

De los resultados encontrados con los pocos días de recirculación, es posible inferir que el
desarrollo  de  la  biopelícula  será  más  acelerado  para  el  caso  de  la  tubería  de  acero
galvanizado  que  para  el  PVC.  Este  efecto  puede  deberse  a  que  las  protuberancias  e
irregularidades  de  las  paredes  de  la  tubería  de  acero  promueven  el  establecimiento  de  las
biopelículas en dichos lugares para su posterior crecimiento, generando un micro ambiente
con las condiciones apropiadas, (aisladas de la turbulencia del flujo  y protegidas del cloro
que no alcanza a llegar a dichos lugares) estableciendo un lugar en el que su desarrollo es
óptimo.

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6. Conclusiones



La formación de biopelículas en los sistemas de distribución de agua potable puede

ser limitada minimizando la entrada de materia orgánica biodegradable a la red de
distribución y manteniendo la concentración de cloro en los niveles establecidos en
la legislación Colombiana.



Fue posible determinar por medio de trabajo en el laboratorio y de datos

experimentales,  la  rugosidad  en  tuberías  construidas  en  PVC  y  acero  galvanizado,
encontrando  resultados  que  se  acercan  a  los  teóricos  con  un  porcentaje  de  erros
tolerable. Las diferencias encontradas pueden estar asociadas probablemente con la
acumulación de error debido a las lecturas limnimétricas  y piezométricas por parte
del observador y/o a errores de redondeo en el procedimiento de cálculo.



A fin de establecer el cambio en el factor de fricción y la rugosidad en las tuberías

debido al crecimiento de biopelícula, es necesario continuar con la recolección y
análisis de datos, ya que como lo comenta (Gamarra, 2005), es a partir del día 60 de
recirculación que se puede establecer una tendencia del factor de fricción debido al
establecimiento de la biopelícula en las paredes de la tubería.
A pesar de esto, con los datos encontrados es posible notar que el crecimiento de la
biopelícula será más acelerado en la tubería de acero galvanizado que en la tubería
de PVC, confirmando que el tipo de material de las tuberías es un factor relevante
para promover el desarrollo de la biopelícula.

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7. Recomendaciones

Se recomienda que para los casos en los que el montaje cuente con tuberías de polietileno,
la tubería no se encuentre doblada, ya que el proceso de desdoble es bastante complicado
por lo que este material cuenta con una rigidez elevada.

Adicionalmente,  es  deseable  continuar  con  la  alimentación  de  pasto  al  sistema  para
promover  el  crecimiento  de  la  biopelícula  ya  que  con  los  trabajos  de  otros  autores,  se  ha
encontrado  que  el  crecimiento  de  la  biopelícula  está  altamente  afectado  por  la
disponibilidad de nutrientes en el agua.

De la misma manera, se recomienda cumplir con la adición de cloro diaria al sistema para
generar las condiciones lo más cercanas a un sistema de distribución de agua potable. En
este caso, no es posible evitar la cloración diaria ya que al adicionar mayores cantidades de
cloro, además de desviar las condiciones con las estipuladas legalmente para un sistema de
acueducto, también se podrían estar viendo comprometidos los microorganismos pues
podrían estar muriendo debido al exceso de este compuesto químico.

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8. Anexos

Anexo 1. Peso inicial de testigos

Tabla 13. Peso inicial de testigos.

No testigo

Tubería

Acero

Tubería

PVC

95.632

36.180

96.770

36.514

89.509

36.607

91.693

37.098

91.413

36.112

96.745

36.710

91.575

36.057

99.734

37.317

88.765

37.678

90.751

37.324

89.537

37.360

91.718

36.786

90.676

36.816

94.378

37.039

89.813

36.893

89.484

37.222

87.121

37.987

92.161

38.118

90.492

36.889

98.256

36.987

89.984

36.668

98.340

36.069

86.457

33.868

94.830

36.653

T.Cabeza

223.420

76.606

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Biopelículas alimentadas con CODB- dinámica de crecimiento y desprendimiento

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