Modelación física de biopelículas en redes alimentadas con carbono orgánico disuelto

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. 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). 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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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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ii 

 

IAMB 201210  20 

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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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alimentadas con Carbono Orgánico disuelto. 

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iii 

 

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Contenido 

 

1.

 

Introducción

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

1.1 Objetivos

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

1.1.1 Objetivo General

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

1.1.2 Objetivos específicos

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

1.2 Antecedentes

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

2.

 

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 

3.

 

Descripción del modelo

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

3.1

 

Proceso de construcción

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

3.2

 

Proceso de recirculación

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

3.3 Selección de velocidad de flujo

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

4

 

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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iv 

 

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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 

5

 

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 

6.

 

Conclusiones

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

7.

 

Recomendaciones

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

8.

 

Anexos

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

9.

 

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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alimentadas con Carbono Orgánico disuelto. 

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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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Modelación física de biopelículas en redes de distribución de agua potable 
alimentadas con Carbono Orgánico disuelto. 

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IAMB 201210  20 

IAMB 201210 20 

 

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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alimentadas con Carbono Orgánico disuelto. 

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IAMB 201210  20 

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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

pH

Temperatura

Cationes

Presencia de agentes antimicrobianos

Textura o rugosidad

Hidrofobicidad

Sustancias poliméricas extracelulares (EPS)

Fimbrias y flagelos

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alimentadas con Carbono Orgánico disuelto. 

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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 

de 

formación 

Año de estudio 

1994 

1999 

2000 

Látex 

Hierro 

Fundido 

Hierro gris 

Etileno-

propileno 

Polietileno 

Cemento 

Polietileno 

PVC 

Acero al 

carbón 

Acero Suave 

 

PVC 

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 

 

 

 es 

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

s   

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: 

h

m

 = pérdidas menores. 

k

m

 = 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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IAMB 201210 20 

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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IAMB 201210 20 

 

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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IAMB 201210 20 

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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IAMB 201210 20 

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

Para los tanques y vertederos: 

                           

Para las tuberías: 

   

    á     

 

 

        

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

3

1.58 

4.79 

1.96 

 

Tabla 8. Volumen en tuberías. 

Dimensiones 

Tubería 

Diámetro [m] 

0.1016 

Longitud [m] 

Volumen [m

3

0.12 

 

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

3

 

 

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IAMB 201210  20 

IAMB 201210 20 

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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IAMB 201210 20 

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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IAMB 201210 20 

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

.
.

.

10

Fecha

Cloro 

(mg/L)

Lectura Aguas arriba [cm]

Lectura Aguas abajo [cm]

n

dP 

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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IAMB 201210  20 

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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 ( 

 á 

[  ] 

 

 

 

 á 

 

 eso

final

   eso

 

 

   

 

 

 

donde:  

 spesor

i

  

 : corresponde al espesor del testigo impar. 

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IAMB 201210 20 

 spesor

  2

 : corresponde al testigo par o vecino. 

  [ 

2

]: 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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IAMB 201210 20 

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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IAMB 201210 20 

 

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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IAMB 201210  20 

IAMB 201210 20 

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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IAMB 201210 20 

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

f

Re

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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IAMB 201210  20 

 

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

0.01700

50000.000

f

Re

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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alimentadas con Carbono Orgánico disuelto. 

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IAMB 201210  20 

IAMB 201210 20 

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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IAMB 201210 20 

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

s

/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

s

/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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50 

 

IAMB 201210  20 

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

0.01500

50000.000

f

Re

Diagrama de Moody 

Tubería de PVC

0

4

8

11

15

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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51 

 

IAMB 201210  20 

 

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

0.02

50000

f

Re

Diagrama de Moody 

Tubería de Acero 

0

4

8

11

15

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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alimentadas con Carbono Orgánico disuelto. 

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52 

 

IAMB 201210  20 

IAMB 201210 20 

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

s

,  el  espesor  de  la  biopelícula  E

i

  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

s

  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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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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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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alimentadas con Carbono Orgánico disuelto. 

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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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alimentadas con Carbono Orgánico disuelto. 

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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 

10 

90.751 

37.324 

11 

89.537 

37.360 

12 

91.718 

36.786 

13 

90.676 

36.816 

14 

94.378 

37.039 

15 

89.813 

36.893 

16 

89.484 

37.222 

17 

87.121 

37.987 

18 

92.161 

38.118 

19 

90.492 

36.889 

20 

98.256 

36.987 

21 

89.984 

36.668 

22 

98.340 

36.069 

23 

86.457 

33.868 

24 

94.830 

36.653 

T.Cabeza 

223.420 

76.606 

 

 

 

 

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9.   Bibliografía 

 

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