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8/18/2019 ARTICULO ORIGINAL-efectos de las biopeliculas en tuberias.pdf

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1 INTRODUCCIÓN

Las tuberías a presión que sirven como redes de dis-tribución de aguas a nivel urbano cumplen con con-diciones de diseño que se fundamentan en uno de los parámetros más importantes: la rugosidad absoluta(K s), aquel que define las propiedades del materialque se imponen sobre el flujo.

La rugosidad de diseño, k s, es aquella hallada en

estudios generales donde no se tiene en cuenta el proceso biológico que sufre el agua durante el trans- porte, se evalúa el material más no se restringe a lascaracterísticas biológicas propias del fluido que setransportará.

A través de los años se ha pensado que el proce-so del agua en las plantas de tratamiento de agua potable (PTAP) era suficiente para que la calidaddel agua en todo el trayecto de la distribución no seviera afectada. Sin embargo, existen fallas en estos

sistemas viéndose reflejadas en la salubridad decomunidades, debido a infecciones y enfermedaque se transmiten en el agua.

La calidad del agua se ve afectada por la forción de biopelículas en la superficie de las tubeincluyendo además problemas como corrosión o ponamiento de ductos como resultado de los prsos bioquímicos realizados en el interior de las películas, generando cambios en las característ

del agua, brotes de enfermedades y cambios hidlicos por la nueva rugosidad del material.Las biopelículas presentes en las paredes de

tuberías de sistemas de distribución están comptas de bacterias incrustadas en una matriz form por residuos de los microorganismos, partículasedimentos y múltiples sustancias, la cual inducdemanda de cloro, el crecimiento continuo demisma, corrosión de la tubería y problemas de say olor en el agua.

Efecto hidráulico de las biopelículas en tuberías de distribución agu potable.

R.M. LatorreUniversidad de los Andes, Bogotá, Colombia

RESUMEN: Durante mucho tiempo se pensaba que el valor del coeficiente de rugosidad absolutas) de- pendía exclusivamente del material de las paredes de la tubería y este permanecía estable durante todútil, sin embargo la realidad es otra, debido a que las paredes de las tuberías están en continuo contacagua, el cual contiene concentraciones muy pequeñas de materias orgánica y teniendo en cuenta a

rugosidad de la tubería, produce el ambiente propicio para el desarrollo de biopelículas en su interioartículo se presenta un análisis teórico de todos los conceptos relacionados con el crecimiento y de llículas, así como su efecto en las paredes de las tuberías de diferente material. Igualmente los resultanidos tras el montaje y operación de un modelo físico que permitió estudiar los aspectos enunciados.ABSTRACT: During a lot of time it was thought that the valued of the coefficient of absolute ru(Ks) it depends exclusively on the material of the walls` pipe and remained stable during useful lifetiever the reality is other, because the walls of the pipes plows in continuous contact with the watecontains organic matter concentrations and also keeping in mind the ruggedness of the pipe, it profavorable atmosphere for biofilms. In this article to theoretical analysis of all the concepts relatedgrowth, development of the biofilms. Equally the results obtained after the assembly and operath sical model that allowed to stud the as ects enunciated reviousl


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Ningún método de desinfección en las PTAP eli-mina del agua el 100% de los microorganismos ytampoco suprime por completo las sustancias orgá-nicas y demás materiales que ayudan al crecimientode la biopelículas. Por lo tanto, las tuberías de dis-tribución de agua potable son un sitio adecuado parael desarrollo de dichas biopelículas, porque ofrecenespacios aptos para adherirse y crecer debido a latemperatura del agua dentro de las tuberías y a las bajas concentraciones de desinfectante en ciertos puntos de la red.

2 ANTECEDENTES

La Universidad de los Andes ha venido desarrollan-do una serie de investigaciones, con el fin de deter-minar el efecto de la película biológica sobre las tu- berías de distribución de agua potable y dealcantarillado.

Investigaciones en tuberías de distribución deagua potable:

• “Influencia Del Crecimiento De BiopelículasSobre La Rugosidad Absoluta En TuberíasPresurizadas” Echeverría M.A. 2002

• “Biopelículas En Redes De Distribución DeAgua Potable. Estado Del Arte” Aray A.M2002

Investigaciones en tuberías de alcantarillado:• “Efecto de las películas biológicas sobre el n

de Manning en tuberías de alcantarillado”Unger M., Barriga M., Ceron, A. y BurgosR. 1995 – 1999

• “Efecto Hidráulico De Estructuras De Sopor-te De Biopelículas En Tuberías DeAlcantarillado” Otero L.A. en el 2002.

3 BIOPELÍCULAS

A continuación indicamos una breve concepción delas biopelículas de aguas potable

3.1 Desarrollo potencial de biopelículas en sistemas de distribución de agua potableLas compañías de distribución de agua potable estáninteresadas en para prevenir la regeneración micro- biana con el uso de un desinfectante residual,usualmente cloro, sin embargo tiene varias desventa- jas como olor y sabor, resistencia de bacterias adesinfectantes y limitaciones ya que es necesario eluso de grandes dosis para mantener una eficiencia

en el desinfectante residual a lo largo de todo eltema de distribución.

Otra forma de prevenir la regeneración es limido la concentración de compuestos que sirvensubstrato para microorganismos. Estos compue pueden estar presentes en las plantas de tratamio en los materiales que están en contacto con el a potable.

Los materiales que se encuentran en contacto el agua potable pueden contribuir significativamen la formación de biopelículas cuando estos mriales liberan compuestos biodegradables.

3.2 Relación entre la formación de biopelícula y elmaterial de la tubería

La formación de biopelículas en interfases sóllíquido es común en ambientes oligotróficos doen la fase agua hay pocos nutrientes (FletcheMarshall 1982). El substrato tiende acumular trientes que ayuden al crecimiento de microorgamos como biopelículas (Geeseyet al. 1978). Una biopelícula en estos ambientes consisten microcolonias o celdas de bacterias en una matri polímeros e intercomunicados por canales de a(Costerton et al. 1994; Wimpenny y Colasan1997). El sistema de distribución de agua pota provee un ambiente oligotrófico y el crecimientlas biopelículas en la superficie de las tuberías duce un efecto adverso en la calidad del agua

El control de biopelículas en sistemas de dis bución debe ser un método integrado combinadiferentes tipos como un cambio de régimen edosis de desinfectante (LeChevallieret al 1990), re-ducción de cantidad de materia orgánica (van Kooijet al. 1995) o un cambio de material en las berías.

Nuevos materiales plásticos, como el PVC y lietileno de densidad media (MDPE), están reemzando tuberías de edad avanzada en sistemas de tribución. Estudios con tuberías de hierro, MDPuPVC muestran que el hierro soporta una mayor blación de heterótrofos que las demás (Holdenet al. 1995; Veeset al. 1993)

El número de células se aumentan más lentamte en uPVC y MDPE que en de hierro; y en el esestable las tuberías de plástico soportan una me población en comparación que en una de hierro.

3.3 Desarrollo y estructura de las biopelículas ytécnicas de estudio.

El sistema de distribución de agua potable puederecer ser un ambiente hostil para el crecimiento


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crobial ya que las bajas concentraciones de nutrien-tes, como el carbón orgánico, la presencia de desin-fectantes, temperaturas bajas y los diferentes regi-menes de flujo no parecen ser los adecuados para la proliferación bacterial.

Los nutrientes tienden adsorberse a las superfi-cies, haciendo más aptos estos sitios para que losmicroorganismos se adjuntes en celdas (Fletcher yMarshall 1982), mostrando ser un factor en la resis-tencia (protección) de la desinfección (LeChevallier et al . 1988). Las celdas que se han adicionado pue-den servir como un reservorio para evitar un lavadoa través el sistema, y así prevenir el desprendimientode la biopelícula causado por cambio en nutrientes,desinfectante o la hidrodinámica.

Para determinar adecuadamente la potencial rela-ción causa-efecto entre el ambiente y el crecimientode las biopelículas bajo condiciones de bajo nutrien-tes, es necesario usar un sistema de experimental bajo condiciones de variables controladas. Sistemas aescala real pueden ser estudiados, pero hay múltiplescausas que no permiten tener una respuesta adecua-da (dificultad de muestras, preservación, medicionesin-situ , etc). Sin embargo, es necesario usar un mo-delo físico que simula el proceso de distribución.

Los métodos usados para estudiar y describir las biopelículas dependen de la información que se ne-cesite. En muchos casos, los métodos más sencillosson los más fiables como el plate counts (métodoque consiste en el conteo de microorganismo en unalámina por medio de microscopio) Cada vez más,los microorganismos son descubiertos por el métodollamado “métodos moleculares”; ya que no requieredel crecimiento de la bacteria en medios selectivos ono-selectivos y se puede hacer uso de ácidos nuclei-cos o proteínas.

La detección de celdasin-situ, especialmente en biopelículas, es esencial para determinar la distribu-ción espacial de especies con la ayuda de una listade herramientas moleculares que incluye:

• Ácido nucleico• Cadenas de proteína• Indicadores fisiológicos• Anticuerpos marcados• Amplificación del ácido nucleico• Sondas de ácidos nucleicos• Gel electrofóresis de ácidos nucleicos y

proteínaLas condiciones claves para la proliferación de

biopelículas en la distribución de agua potables son:1. Efectos de la temperatura, especialmente en

agua caliente.2. La cantidad de substrato.

3. Ineficiencias en la remoción o desinfeccde organismos en el tratamiento.

4. La presencia de productos corrosivos ensistema.

5. Tipo y dosis de desinfección.6. Hidrodinámica en el sistema de distribuci

Block (1992) sugirió que si el número de céluque ingresan en el sistema es reducido, la poblade las biopelículas también disminuirá y se demoque con una concentración de cloro residual de 1L-1 es suficiente para eliminar la biopelícula desuperficies de PVC y valores aproximados de 4L-1 para hierro. (LeChevallieret al. 1990)

Las variables más estudiadas en el desarrollo biopelículas son las concentraciones de carbón cAOC o BDOC, tiempo de residencia hidráulicdesinfectante. Las concentraciones mínimas de bón orgánico han sido fijados en 10 mg-C/L pheterótrofos (van der Kooij 1992) y 50 mg-C/L coliformes (LeChevallieret al. 1991). Una razón pola cual los niveles de AOC pueden no estar diremente relacionados con la regeneración en los temas de distribución es que el crecimiento bactdepende directamente de la concentración desinfectante. Si las concentraciones desinfectante y las de AOC son muy altas en planta, la regeneración de organismos puede elimitada hasta que el decaimiento del desinfectsea la apropiada.Un sistema de distribución con diferentes mriales, el mayor crecimiento de microorganismo producirá en superficies de metal ferroso dondemenos susceptibles al cloro (LeChavellieret al. 1987, 1990) presuntamente porque el metal ejdemanda de cloro.

La estructura de las biopelículas de los sistemde distribución de agua potable es difícil de estudebido a la gran cantidad de detritos, productocorrosión y otra materia inorgánica, limitando técnicas que se pueden usar

4 MODELO FÍSICO

A continuación indicamos una breve explicaciónmontaje del experimento.

4.1 Modelo físico de recirculaciónEl modelo físico está constituido por tres tubería paralelo de PVC, MDPE y de hierro, la tuberíaPVC es de 6” y las otras dos son de 4” con una gitud de 10 mts, excepto la tubería en hierro qude 4 aproximadamente. Estas tuberías se cone


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con un tanque (1) aguas arriba y al tanque (2) aguasabajo del montaje.

Del tanque 2 sale la tubería de alimentación delsistema, de diámetro 4 pulgadas, que se conecta auna bomba que impulsa el flujo hacia el tanque 1. Elcaudal que llega al tanque 1 para recircular está con-trolado por medio de una válvula de 4”. Al comien-zo de cada tubería del montaje (PVC, MDPE y hie-rro) hay una válvula de control que aísla elfuncionamiento de cada tubería independientemente para desarrollar las lecturas tubería por tubería.

Figura 1. Montaje del experimento

Este caudal es medido por un limnimetro ubicado

en la zona del laberinto de ladrillos, localizado en eltanque 2.El sistema está provisto de piezómetros en ciertas

secciones en las tuberías de 6 y 4 pulgadas, de formaque estos, llevados en su extremo libre a un tablerode medición, determinan la cabeza piezométrica a laque la sección está sometida.

Adicionalmente, el sistema está provisto de dispositivos internos para la medición de la película bacteriana que se formará en las tuberías a través deltiempo, estos se encuentran fuera del rango de los piezómetros para no afectar las mediciones de pér-dida por fricción.

4.2 Procedimiento generalEl ciclo de medición de parámetros bajo efectos delos nutrientes comenzó el día 14 de abril. A medidaque se lleva a cabo el proceso de medición particular(diario), existe un crecimiento hipotético de biopelí-cula dentro del sistema. Al culminar un período(cercano de los treinta días), el sistema se despresu-

riza para llevar a cabo la medición de los testi para determinar el crecimiento de la biopelículaciclo se repite en otra ocasión con el fin de asocicrecimiento de la biopelícula con la rugosidad abluta.

El período de las pruebas comienza en las hode las mañanas, aproximadamente a las 7:00 Adejando circular el sistema 30 minutos sin realninguna lectura, tiempo en el cual es usado par preparación de los nutrientes, limnimetro y purglos piezómetros tapados, este tiempo se debe a la temperatura del agua al inicio varía y esta tieestabilizarse en un tiempo determinado.

4.3 NutrientesPara simular la presencia de dichos nutrientes eactual modelo físico de tuberías de distribución surizadas, se utiliza Fosfato diamónico como fude fósforo y nitrógeno; y una mínima cantidadglucosa (panela) como compuesto orgánico.

La cantidad de nutriente inicial se calculó a pade la estequiometría de producción de bacteriasrobias,

( ) OHCOP NOHCOHPO NHOHC 221228876024246126 ++→++ (1)

Como resultado del balance de la ecuación equiométrica, se obtiene que la proporción nutrientes inicial debe ser C/N/P = 1/ 4.2/ 0.84 pgarantizar la presencia bacteriana de los sistemadistribución (30g de DAP por cada 7g de glucosa

Según la tesis de M. A. Echavarría1 la dosis óp-tima diaria para conservar el olor nulo del aguade 25g de DAP por cada 7g de glucosa, lo cual c bia la proporción de nutrientes a C/N/P = 1/3.5/Sin embargo se observo, que existe un mejor rmen alimenticio, donde exista un mayor nivelcrecimiento y conservación nula de olor, cambiala proporción de nutrientes a C/N/P = 1/3.8/0.7 ydosis es de 27.2 g de DAP y 7 g de glucosa.

4.4 Metodología específicaSe debe entender metodología específica como procedimiento que se sigue a diario para obteneresultado de k s para cada uno de 10 caudales. En proceso se sigue el siguiente ciclo de trabajo talmo se muestra en la figura 2.

1 Influencia del crecimiento de biopelículas sobre la rugosidad absolutuberías presurizadas modelo físico y conceptual. (julio de 2003)


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(2)

Se realiza la purga de piezómetros

Encendido de la bomba con apertura mínima de la válvula

Lectura de la temperatura (T) del agua

Lectura piezométrica y de caudal

Si Q i


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ba existen 10 pares (Re, fteórico), que corresponden aun valor de k s, y por lo tanto la nube de puntos quese observa en las gráficas, es el resultado de graficarvarias curvas de rugosidad relativa (k s/D), con losvalores de K s óptimos de cada prueba.

Se puede ver el rango de K s/D dentro del cual secomporta la tubería con la formación de biopelícula,y por ende, el rango de K s que se obtiene al finalizarel proceso de calibración. Para la Fase I, se muestranlos resultados en la Gráfica 1

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0.002 0.0015 0.001 0.0007 0.0004 0.0002 0.00005 0.00001 1E-10 1 2 3 4 5Ks/D

Gráfica 1. Diagrama de Moody Fase I MDPE

Las primeras pruebas arrojan resultados de k s/Diguales a 0.0003, que corresponden a valores de k s del orden de 3.05 * 10-5 m. La mayoría de puntos(Re, f teórico) se concentran entre la línea de 0.0004 yla de 0.0007, las cuales corresponden a un rango dek s que va desde 4.06 * 10-5 hasta 7.11 * 10-5 m yunos pocos puntos sobrepasan el valor de rugosidadrelativa de 0.0007 (k s = 7.11 * 10-5)

La variación a través del tiempo, del coeficientede rugosidad absoluta k s, se puede entender con lascurvas resultantes del proceso de filtrado, de dondese obtienen los coeficientes óptimos, es decir, losque tienen mayor indicador de ajuste R 2

Los puntos conservan la tendencia de crecimientodel coeficiente de rugosidad, la tendencia general esun leve crecimiento, variando en un rango de 3.38 *10-5 m y 7.93 * 10-5 m. Los valores del R², a excep-ción de un dato (0.3), varían en un rango (1-0.7) (verGráfica 2)

5.1.2 Fase IISiguiendo el mismo proceso, explicado en Fase I, segraficaron los resultados sobre el Diagrama de Moo-dy (ver Gráfica 3)

Se observa una transición entre los resultados ob-tenidos en la etapa final de la primera fase, y unadispersión mayor de los puntos sobre el diagrama.Siendo posible determinar una zona donde se en-cuentren los puntos, pero es notorio el aumento en

los valores del factor de fricción y en el rangoK s/D (0.0007-0.00125). En términos de K s varía en-tre 7.11 * 10-5 y 1.27 * 10-4

0.00E+00

5.00E-05

1.00E-04

1.50E-04

2.00E-04

2.50E-04

3.00E-04

3.50E-04

0 5 10 15 20 25 30

Recirculación (días)

K s

0.0000

0.1000

0.2000

0.3000

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Gráfica 2. Evolución del Ks vs. R² Fase I MDPE

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0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000

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0. 002 0.0015 0. 001 0.0007 0.0004 0. 0002 0. 00005 0.00001 1E-10 5 6 7 8Ks/D

Gráfica 3. Diagrama de Moody Fase II MDPE

Durante esta fase II, el coeficiente de K s varía en-tre un rango 8.38 * 10-5 m y 1.24 * 10-4 m, con uncrecimiento leve durante todo este período. El vde R² es mejor que en la fase I ya que los valoresgan hasta 0.99, valores lo suficientemente bue para ser aceptados.(ver Gráfica 4)

5.1.3 Fase IIIEsta fase corresponde al último ciclo de pruebasse llevó a cabo en el modelo físico.

En esta última etapa los resultados obtenicontinúan una concentración marcada, ya que puntos (Re, f teórico), se encuentran dentro de un rande K s/D que va desde 0.00125 hasta 0.00165, es cir, la K s varía de 1.27 * 10-4 m hasta 1.67 * 10-4 m.Sin embargo, es claro que el K s aumenta de manersignificativa, respecto de las condiciones inicialela tubería al momento de comenzar las lecturas (s =3.38 * 10-5 m). (verGráfica 5)

Durante esta tercera fase, el coeficiente de K s va-ría entre un rango 1.30 * 10-4 m y 1.66 * 10-4 m, in-


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dicando un crecimiento lento pero continuo desde lafase II. (Ver Gráfica 6)

0.00E+00

5.00E-05

1.00E-04

1.50E-04

2.00E-04

2.50E-04

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31 36 41 46 51


K s

0.0000

0.1000

0.2000

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0.5000

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R ²

Gráfica 4. Evolución del Ks vs. R² Fase II MDPE

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0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000

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0.002 0.0015 0.001 0.0007 0.0004 0.0002 0.00005 0.00001

1E-10 8 9 10 11 12 13

Ks/D

Gráfica 5. Diagrama de Moody Fase III MDPE

5.1.4 Agregación de resultados

La Gráfica 7 muestra la evolución del coeficiente derugosidad absoluta a través del tiempo. Se observacómo va aumentando el valor del coeficiente a me-dida que incrementa el número de días de recircula-ción, debido a la formación de biopelícula.

Durante el desarrollo del experimento se obtu-vieron datos semanales de Ks con un comporta-miento adecuado (13 datos), de la cual se adquierenlos valores de k s/D y una vez graficados en el dia-grama de Moody (ver Gráfica 8) se puede observarclaramente la evolución en el tiempo, haciéndosecada vez mas rugosidad al avanzar los días de re-

circulación.En la Fase I, las pérdidas del sistema al iniciodisminuyen debido a que se hacia variar la velocida-des en forma decreciente y por lo tanto se obteníaun caudal menor, sin embargo se ve como las pérdi-das al finalizar la fase I incrementan casi hasta susvalores iniciales, pero con un caudal levemente infe-rior, donde se demuestra claramente la influenciadel crecimiento de la biopelícula en el K s; a medidaque los días de recirculación aumentan comienza la

fase II, donde de igual manera las pérdidas posun comportamiento variado, ya que se continuauna variación continua de las velocidades, embargo al comparar los valores de las pérdidaslos caudales sigue existiendo la relación del crmiento de la biopelícula con el incremento de pérdidas; En la Fase III, acá nuevamente las pédas dentro del sistema incrementan muy levemy vuelven a disminuir al transcurrir los días decirculación, los caudales usados durante esta son iguales, con excepción en los primeros días, ve como al final de esta fase III existe un leve cimiento de las pérdidas, demostrando la influehidráulica de la biopelícula en la tubería de MD(ver Gráfica 9)

0.00E+00

5.00E-05

1.00E-04

1.50E-04

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55 60 65 70 75 80 85


K s

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R ²

Gráfica 6. Evolución del Ks vs. R² Fase III MDPE

0.00E+00

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1.50E-04

2.00E-04

2.50E-04

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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

Recirculación R (días)

K s

( m )

Gráfica 7. Evolución del Ks a través del tiempo MDPE

0.0200

0.0220

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1000 11000 21000 31000 41000 51000 61000 71000 81000

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Semana 1 Semana 2 Semana 3 Semana 4 Semana 5 Semana 6 Semana 7

S ema na 8 S ema na 9 S ema na 1 0 S ema na 1 1 S ema na 1 2 S ema na 1 3 Gráfica 8. Diagrama de Moody de datos experimental MDP


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P é r d o d a s

H f ( m )

Gráfica 9. Pérdidas en el sistema de la tubería de MDPE

5.2 Tubería de PVCDe acuerdo con el filtrado de datos y los períodos dedespresurización del sistema se pueden observar lasfases durante el desarrollo de las pruebas:• FASE I (30 días de recirculación)• FASE II (24 días de recirculación)• FASE III (34 días de recirculación)

5.2.1 Fase IEsta fase corresponde al primer ciclo de pruebas quese llevó a cabo en el modelo físico. Para la presenta-ción gráfica de los resultados, se graficó el Diagra-ma de Moody teórico, basado en la Ecuación de Co-lebrook-White, y se graficaron los pares (Re, fteórico)de cada una de las pruebas. Es decir, por cada prueba existen 10 pares (Re, fteórico), que corresponden a

un valor de k s, y por lo tanto la nube de puntos quese observa en las gráficas, es el resultado de graficarvarias curvas de rugosidad relativa (k s/D), con losvalores de K s óptimos de cada prueba.

Durante los primeros días de pruebas, los valoresobtenidos no se acercan al valor teórico de rugosi-dad absoluta de PVC (1.25 * 10-5 m), esto se debe aque la recirculación del sistema, bajo los efectos delos nutrientes, comenzó antes de tomar las primeraslecturas. Las primeras pruebas arrojan resultados derugosidad relativa (k s/D) igual a 0.0002, que corresponden a valores de k s del orden de 3.05 * 10-5 m.La mayoría de puntos (Re, f teórico) se concentran en-tre la línea de 0.0002 y la de 0.0007, las cuales co-rresponden a un rango de k s que va desde 3.05 * 10-5 hasta 1.07 * 10-4 m.

Aunque hay unos puntos que no conservan latendencia de crecimiento del coeficiente de rugosi-dad, la tendencia general es un leve crecimiento, va-riando en un rango de 2.98 * 10-5 m y 1.05 * 10-4 m,en esta Fase I existe un valor el cual puede conside-rarse atípico, el cual se presentó en el día 23, ya que

aunque existe una tendencia a disminuir el valoK s en días anteriores, este sale del rango esperasin embargo los días siguientes, es decir los veinticuatro y veinticinco, continua su crecimiealcanzo a un valor máximo el día veintiocho, prguido de un leve decaimiento, el cual cambia debdespresurización realizada entre la culminación dfase I y el comienzo de la Fase II.

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0.002 0.0015 0.001 0.0007 0.0004 0.0002 0.00005 0.00001 1E-10 1 2 3 4 5

Ks/D

Gráfica 10. Diagrama de Moody Fase I PVC

0.00E+00

5.00E-05

1.00E-04

1.50E-04

2.00E-04

2.50E-04

3.00E-04

3.50E-04

0 5 10 15 20 25 30 35


K s

0.0000

0.1000

0.2000

0.3000

0.4000

0.5000

0.6000

0.7000

0.8000

0.9000

1.0000

R ²

Gráfica 11. Evolución del Ks vs. R² Fase I PVC

5.2.2 Fase IISiguiendo el mismo proceso, explicado en el nural anterior, se graficaron los resultados sobreDiagrama de Moody (Ver Gráfica 12). Se obseuna transición entre los resultados obtenidos eetapa final de la Fase I, y una concentración made los puntos sobre el diagrama. Siendo posibleterminar una zona donde se encuentren concentralos puntos, pero es notorio el aumento en los valdel factor de fricción y en el rango de rugosidadlativa (0.0007-0.001).

Durante esta fase II, el coeficiente de rugosiabsoluta varía entre un rango 1.08 * 10-4 m y 1.41 *10 -4 m, esto demuestra que existe un continuo pleve crecimiento del coeficiente de rugosidad abluta desde la fase anterior, tal como se demostróla teoria.


9/15

0.019

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0.023

0.025

0.027

0.029

0.031

0.033

0.035

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000

Reynolds

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i ó n

0.002 0.0015 0.001 0.0007 0.0004 0.0002 0.00005 0.00001 1E-10 5 6 7 8

Ks/

Gráfica 12. Diagrama de Moody Fase II PVC

0.00E+00

5.00E-05

1.00E-04

1.50E-04

2.00E-04

2.50E-04

3.00E-04

3.50E-04

31 36 41 46 51


K s

0.0000

0.1000

0.2000

0.3000

0.4000

0.5000

0.6000

0.7000

0.8000

0.9000

1.0000

R ²

Gráfica 13. Evolución del Ks vs. R² Fase II PVC

5.2.3 Fase IIIEsta fase corresponde al último ciclo de pruebas quese llevó a cabo en el modelo físico.

En esta última etapa los resultados obtenidos

continúan una concentración marcada, ya que los puntos (Re, f teórico), se encuentran dentro de un rangode K s/D que va desde 0.001 hasta 0.00135, es decir,lel K s varía de 1.52 * 10-4 m hasta 2.06 * 10-4 m. Sinembargo, es claro que el K s aumenta de manera sig-nificativa, respecto de las condiciones iniciales de latubería (k s = 2.98 * 10-5 m).

Durante esta tercera fase, el coeficiente de rugo-sidad absoluta varía entre un rango 1.41 * 10-4 m y1.99 * 10-4 m, indicando una estabilización del co-eficiente de rugosidad.

5.2.4 Agregación de resultadosLa Gráfica 16 muestra la evolución del coeficientede rugosidad absoluta a través del tiempo. Se obser-va cómo va aumentando el valor del coeficiente, debido a la formación de biopelícula. y no se ve afec-tado por la secación de la biopelícula de las paredesde la tubería.

Durante el desarrollo del experimento se obtuvie-ron datos semanales de Ks con un comportamiento

adecuado (13 datos), de la cual se adquieren los vlores de k s/D y una vez graficados en el diagramaMoody (ver Gráfica 17) se puede observar clmente la evolución en el tiempo, haciéndose cvez mas rugosidad al avanzar los días de recircción.

0.019

0.021

0.023

0.025

0.027

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0.031

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0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000

Reynolds

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0.002 0.0015 0.001 0.0007 0.0004 0.0002 0.00005 0.00001 1E-108 9 10 11 12 13

Ks/D

Gráfica 14. Diagrama de Moody Fase III PVC

0.00E+00

5.00E-05

1.00E-04

1.50E-04

2.00E-04

2.50E-04

3.00E-04

3.50E-04

55 60 65 70 75 80 85


K s

0.0000

0.1000

0.2000

0.3000

0.4000

0.5000

0.6000

0.7000

0.8000

0.9000

1.0000

R ²

Gráfica 15. Evolución del Ks vs. R² Fase III PVC

En la Fase I, las pérdidas del sistema al inidisminuyen debido a que se hacia variar la velocdes en forma decreciente y por lo tanto se obtenícaudal menor, sin embargo se ve como las pérdal finalizar la fase I incrementan a un valor supede sus iniciales, pero con un caudal diferente devalor menor, donde se demuestra claramente lafluencia del crecimiento de la biopelícula en el Ks; amedida que los días de recirculación aumentanmienza la fase II, donde de igual manera las pérd

poseen un comportamiento variado, ya que se conua con una variación continua de las velocidasin embargo al comparar los valores de las pérdcon los caudales sigue existiendo la relación del cimiento de la biopelícula con el incremento de pérdidas, las pérdidas alcanzan un valor máximoun caudal de 15.6 L/s, el cual es levemente mayode los primeros días de recirculación y al finallas fase II las pérdidas se comparan con las últide la fase I y al ser iguales los caudales se nota e


10/15

cremento; En la Fase III, acá nuevamente las pérdi-das incrementan y al tener un caudal de 15,3 L/s(menor al máximo) las pérdidas son las máximas entodo el sistema, caso similar ocurre al finalizar la fa-se III, ya que son iguales los caudales menores, perolas pérdidas son mas grandes. (ver Gráfica 18)

0.00E+00

5.00E-05

1.00E-04

1.50E-04

2.00E-04

2.50E-04

3.00E-04

3.50E-04

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90


K s

( m )

Gráfica 16 Evolución del Ks a través del tiempo MDPE

0.02000

0.02200

0.02400

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0.02800

0.03000

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1000 11000 21000 31000 41000 51000 61000 71000 81000 91000 101000

Reynolds

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Semana 1 Semana 2 Semana 3 Semana 4 Semana 5 Semana 6 Semana 7Semana 8 Semana 9 Semana 10 Semana 11 Semana 12 Semana 13

Gráfica 17. Diagrama de Moody de datos experimental PVC

0.0000

0.0050

0.0100

0.0150

0.0200

0.0250

0.0300

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100


P é r d i d a s

H f ( m )

Gráfica 18. Pérdidas en el sistema de la tubería de PVC

5.3 Tubería de HierroDe acuerdo con el filtrado de datos y los períodos dedespresurización del sistema se pueden observar lasfases durante el desarrollo de las pruebas:• FASE I (30 días de recirculación)

• FASE II (24 días de recirculación)• FASE III (34 días de recirculación)

5.3.1 Fase IEsta fase corresponde al primer ciclo de pruebasse llevó a cabo en el modelo físico. Se graficaron pares (Re, fteórico) de cada una de las pruebas reazadas. Es decir, por cada prueba existen 10 pa(Re, f teórico), que corresponden a un valor de k s, y por lo tanto la nube de puntos que se observa engráficas, es el resultado de graficar varias curvak s/D, con los valores de K s óptimos de cada prueba

Durante los primeros días de pruebas, los valobtenidos no se acercan al valor teórico de K s delhierro (1.5 * 10-4 m), esto se debe a que la recircución del sistema, bajo los efectos de los nutriencomenzó antes de tomar las primeras lecturas yvalor de inicial del K s disminuye en las tuberías dhierro ya que las bacterias de las biopelículas mienzan la colonización en las rugosas paredes dtuberías, volviéndolas ligeramente más lisa, sin bargo este efecto es de poca duración y el valorcoeficiente de rugosidad vuelve a un constantecremento. Las primeras pruebas arrojan resultade ks/D menores a 0.0002, que corresponden a vres de ks del orden de 10-5 m, valores menores ateórico. Donde la mayoría de puntos (Re, f teórico) seconcentran entre la línea de 0.0007 y la de 0.001cuales corresponden a un rango de ks que va de7.11 * 10-5 hasta 1.02 * 10-4 m

En la Gráfica 20, se ve claramente como el vinicial de K

s posee un crecimiento negativo, es de

disminuye en los primeros días de recirculacióncomo se explico anteriormente; después del quinto (5) el valor comienza un crecimiento encoeficiente de rugosidad, sin embargo en el día vtiséis (26) se presento un evento extraordinarioque después de haber terminado las pruebas delrrespondiente día, los piezómetros fueron arrancdel montaje y la tubería de hierro sufrió una dessurización del sistema cercano a 16 horas y por euna muerte bacterial que influyo en el valor delno obstante la tendencia general es un leve cr

miento, variando en un rango de 2.38 * 10-5

m y1.35 *10-4 m.

5.3.2 Fase IISiguiendo el mismo proceso, explicado en el nural anterior, se graficaron los resultados sobreDiagrama de Moody (Ver Gráfica 21). Se obseuna transición entre los resultados obtenidos eetapa final de la primera fase, y una concentra


11/15

mayor de los puntos sobre el diagrama. Siendo posible determinar una zona donde se encuentren con-centrados los puntos, pero es notorio el aumento enlos valores del factor de fricción y en el rango deK s/D (0.001-0.0015). En términos de K s, se tieneque al finalizar la segunda fase, la tubería presentaun valor de rugosidad cercano a 1.52 * 10-4m, valorcercano al teórico del hierro.

0.019

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0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000

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0.002 0.0015 0.001 0.0007 0.0004 0.0002 0.00005 0.00001 1E-10 1 2 3 4 5

Ks/D

Gráfica 19. Diagrama de Moody Fase I Hierro

0.00E+00

5.00E-05

1.00E-04

1.50E-04

2.00E-04

2.50E-04

3.00E-04

3.50E-04

1 6 11 16 21 26


K s

0.0000

0.1000

0.2000

0.3000

0.4000

0.5000

0.6000

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1.0000

R ²

Gráfica 20. Evolución del Ks vs. R² Fase I Hierro

Durante esta fase II, el coeficiente de rugosidadabsoluta varía entre un rango 1.11 * 10-4 m y 1.51*10 -4 m, tendiéndose a estabilizar durante este pe-ríodo con un incremento en el día 54 de recircula-ción.

0.019

0.021

0.023

0.025

0.027

0.029

0.031

0.033

0.035

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000

Reynolds

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0. 002 0.0015 0.001 0.0007 0.0004 0.0002 0.00005 0.00001 1E-10 5 6 7 8

Ks/D

Gráfica 21. Diagrama de Moody Fase II Hierro

0.00E+00

5.00E-05

1.00E-04

1.50E-04

2.00E-04

2.50E-04

3.00E-04

3.50E-04

31 36 41 46 51


K s

0.0000

0.1000

0.2000

0.3000

0.4000

0.5000

0.6000

0.7000

0.8000

0.9000

1.0000

R ²

Gráfica 22. Evolución del Ks vs. R² Fase II Hierro

5.3.3 Fase IIIEsta fase corresponde al último ciclo de pruebasse llevó a cabo en el modelo físico.

En esta última etapa los resultados obtenidos ctinúan una concentración marcada, ya que los pu(Re, f teórico), se encuentran dentro de un rango K s/Dque va desde 0.0015 hasta 0.002, es decir, es varía de 1.52 * 10-4 m hasta 2.03 * 10-4 m. Sin embargo, es claro que el K s aumenta de manera signifcativa, respecto de las condiciones iniciales de la bería (k s = 2.38 * 10-5 m). (Ver Gráfica 23)

Durante esta tercera fase, el coeficiente de rusidad absoluta varía entre un rango 1.44 * 10-4 m y2.01 * 10-4 m, teniendo una tendencia a estabilizse. El valor de R² posee un comportamiento muyriado en un rango medio de 0.75, aunque no edeseado se puede decir que los valores son los mres diarios calculados (Ver Gráfica 24)

5.3.4 Agregación de resultadosLa Gráfica 25 muestra la evolución del coeficide rugosidad absoluta a través del tiempo. Se obva cómo va aumentando el valor del coeficiente, bido a la formación de biopelícula; donde claramte se nota disminución del valor de K s en los primeros días de recirculación y el evento extraonario del día 26, sin embargo el crecimiento del

eficiente de rugosidad es más rápido y mayor qurelación a las otras tuberías (Ver Gráfica 25)Durante el desarrollo del experimento se obtu

ron datos semanales de Ks que tuvieron un comtamiento adecuado (13 datos), de la cual se adquieren los valores de k s/D y una vez graficados en diagrama de Moody (ver Gráfica 26) se puede servar claramente la evolución en el tiempo, hacdose cada vez mas rugosidad al avanzar los díarecirculación.


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0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000

Reynolds

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0.002 0.0015 0.001 0.0007 0.0004 0.0002 0.00005 0.00001 1E-108 9 10 11 12 13

Ks/D

Gráfica 23. Diagrama de Moody Fase III Hierro

0.00E+00

5.00E-05

1.00E-04

1.50E-04

2.00E-04

2.50E-04

3.00E-04

3.50E-04

55 60 65 70 75 80 85


K s

0.0000

0.1000

0.2000

0.3000

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0.8000

0.9000

1.0000

Gráfica 24. Evolución del Ks vs. R² Fase III Hierro

En la Fase I, las pérdidas al inicio son grandesdebido a que maneja caudales cercanos a 6 L/s sinllegar a esta valor y sus menores pérdidas son debi-do a caudales menores de 0.8 L/s, sin embargo las pérdidas aumentan al finalizar la fase I con caudaleslevemente menores a los iniciales, al comienzo de laFase II, después de la despresurización, las pérdidasincrementan de nuevo con caudales cercanos al va-lor de 5 L/s, menores a los presentados entre los días20 y 25 y sus caudales pérdidas al finalizar la faseson relativamente iguales a las de la finalización dela fase I con una leve variación de sus valores; en laFase III con un incremento de las pérdidas al inicio,casi hasta valores inicales de la fase II, con un cau-dal de 4 L/s (menor al de la fase anterior) y una dis-minución al final de las pérdidas con un caudal me-nor de 0.3 L/s.

En la Fase I, las pérdidas al inicio son grandesdebido a que maneja caudales cercanos a 6 L/s sinllegar a esta valor y sus menores pérdidas son debi-do a caudales menores de 0.8 L/s, sin embargo las pérdidas aumentan al finalizar la fase I con caudaleslevemente menores a los iniciales, al comienzo de laFase II, después de la despresurización, las pérdidasincrementan de nuevo con caudales cercanos al va-lor de 5 L/s, menores a los presentados entre los días20 y 25 y sus caudales pérdidas al finalizar la fase

son relativamente iguales a las de la finalizaciónla fase I con una leve variación de sus valores; eFase III con un incremento de las pérdidas al inicasi hasta valores inicales de la fase II, con un dal de 4 L/s (menor al de la fase anterior) y una minución al final de las pérdidas con un caudal nor de 0.3 L/s.

0.00E+00

5.00E-05

1.00E-04

1.50E-04

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2.50E-04

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3.50E-04

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K s

( m )

Gráfica 25. Evolución del Ks a través del tiempo Hierro

0.0210

0.0260

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0.0360

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0.0460

1000 11000 21000 31000 41000 51000 61000 71000 81000

Reynolds

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i ó n

Semana 1 Semana 2 Semana 3 Semana 4 Semana 5 Semana 6 Semana 7Semana 8 Semana 9 Semana 10 Semana 11 Semana 12 Semana 13

Gráfica 26. Diagrama de Moody de datos experimental Hie

5.4 Evolución del coeficiente de rugosidad absolutarespecto a la formación de biopelícula

Debido a que se había planeado realizar dos dessurizaciones del sistema, se aprovecho estos dosríodos para tomar lectura de los dispositivos de dición de biopelículas, ubicados al inicio y al fde las tuberías de PVC y MDPE; teniendo así vres que corresponden a los días 0, 30, 54 y 88 decirculación y un diferente tipo de régimen de trientes para cada fase:

FASE I: El régimen de nutrientes en esta fase el siguiente: C/N/P 1/4.2/0.84 (30 g de DAP y 7 glucosa) valor propuesto según la teoría de biopcula

FASE II: El régimen de nutrientes en esta ffue el siguiente: C/N/P 1/3.5/0.7 (25 g de DAP y


13/15

de glucosa) valor propuesto según Trabajo Echave-rria (2003).

0.0000

0.0020

0.0040

0.0060

0.0080

0.0100

0.0120

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0.0160

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95


P é r d i d a s

H f ( m )

Gráfica 27. Pérdidas en el sistema de la tubería de Hierro

FASE III: El régimen de nutrientes en esta fasefue el siguiente: C/N/P 1/3.8/0.7 (27.2 g de DAP y 7g de glucosa) valor propuesto según Latorre (2004)

Para precisar el crecimiento de las bacterias sedeterminó la densidad2 de las biopelículas de los tes-tigos instalados en las tuberías de PVC y MDPE,dando como resultado:

Tabla 1 Densidades de las biopelículasPVC (g/cm³) MDPE (g/cm³)

Densidad 1.1 0.9

En la tubería de MDPE, durante la Fase I el desa-rrollo de la biopelícula posee un crecimiento máslento que en las otras fases, esto se debe a las prime-ras colonizaciones de las bacterias, y se aprecia unadiferencia entre los testigos, esto se debe a que eltestigo tanque 1 continuamente recibe la descarga dela tubería de alimentación y por ende indirectamenteobtiene un continuo “lavado”; en la Fase II y III elcrecimiento es un poco mayor que en el anterior pe-ríodo, pero debido a la despresurización la diferen-cia de los testigos se aprecia más; no obstante estadiferencia es relativamente pequeña, lo cual indicaque las paredes de la tubería permite una regenera-ción rápida. (Ver Gráfica 28)

En la tubería de PVC, durante la Fase I el desa-rrollo de la biopelícula posee un crecimiento más

lento que en las otras fases, esto se debe a las prime-ras colonizaciones de las bacterias, y se aprecia unadiferencia entre los testigos, esto se debe a que eltestigo tanque 1 continuamente recibe la descarga dela tubería de alimentación y por ende indirectamenteobtiene un continuo “lavado”; en la Fase II y III elcrecimiento es un poco mayor que en el anterior pe-

2 Método explicado en el trabajo “Velocidad De Desprendimiento De LaBiopelícula En Tuberías De Distribución Agua Potable” (Muñoz 2004)

ríodo, pero debido a la despresurización la difecia de los testigos se aprecia más; no obstante diferencia es relativamente pequeña, lo cual inque las paredes de la tubería no permite una regración rápida. (Ver Gráfica 29)

0.000

0.005

0.010

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0 10 20 30 40 50 60 70 80

Tiempo de Recirculación (días)

P e s o

( g r )

Test igo Tanque 1 Tes t igo Tanque 2 Gráfica 28. Crecimiento de biopelícula en la tubería de MD

0.000

0.005

0.010

0.015

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0.040

0.045

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0 10 20 30 40 50 60 70 80

Tiempo de Recirculación (días)

P e s o

( g r )

Tes ti go Tan qu e 1 Tes tig o Tan qu e 2 Gráfica 29. Crecimiento de biopelícula en la tubería de PVC

6 RECOMENDACIONES Y CONCLUSIONES

6.1 Biopelícula en los sistemas de distribución deagua potable

• Los métodos usados para estudiar y descrlas biopelículas dependen de la informacque se necesite, variando desde estudios ácido nucleico y cadenas de proteína, indicares fisiológicos, anticuerpos marcados, la plificación del ácido nucleico, sondas de ácinucleicos, y gel electrofóresis de ácidos nuccos y proteína.

• El rápido proceso de formación de biopelícucontrasta con la alta resistencia de éstas a cambios en las condiciones del agua que tra porta la tubería. Pueden existir eventos y écas de sequedad en la biomasa fijada en lasredes de las tuberías, pero una vez formésta, no se degenera a menos que se apliqtécnicas para desprenderla.


14/15

• El poder de regeneramiento de la biopelículaes mayor en las tuberías de MDPE que en lastuberías de PVC, sin embargo la capacidad deadherirse las bacterias en las paredes de las tu- berías es mayor en PVC que en MDPE.

• Durante los 88 días de recirculación de agua enel sistema, se alcanzó una altura de la biopelí-cula de aproximadamente 0.0235 mm para latubería de MDPE y de 0.0309 mm en la tuberíade PVC, indicándonos que en la tubería dePVC hubo mayor crecimiento de la biopelícula pero con más grado de regeneramiento de lascélulas en MDPE.

• Una de las razones por la cual existió más cre-cimiento en este estudio, comparado con losanteriores, es que hubo más tiempo de recircu-lación del sistema (8 horas diarias), además elsitio del montaje era al aire libre, permitiendoque existiese la presencia de algas en el sistema producto de la radiación solar.

6.2 Hidráulica del sistema y parámetros afines• El principal efecto hidráulico que tiene la for-

mación de película biológica en las paredes delas tuberías de agua potable, es un aumento enel valor del coeficiente de rugosidad absolutaks.

• Las condiciones variables a las cuales se some-te el modelo físico (diferentes regimenes de ve-locidad y nutrientes, así como la temperaturaambiente y del agua y tiempo de recirculacióndiaria), afectan directamente las característicasde la biopelícula, y por ende la rugosidad abso-luta. Por lo anterior, no se recomienda un valorúnico de rugosidad absoluta, pero es claro que por lo menos ésta pasa de tener una magnitudde 10-5 m, a tener un orden de magnitud de 10-4 m.

• El rápido crecimiento del valor del coeficientede rugosidad absoluta, en las diferentes tuberí-as, comparado con los anteriores trabajos, sedebe principalmente a que el montaje seencontraba bajo un constante régimen de

recirculación diario de ocho 8 horas, caso con-trario en los otros estudios el cual era demáximo una (1) hora, tratando de simular unverdadero sistema de distribución de agua potable.• Los valores de de Ks aumentan, sin importar eltipo de material de tubería, sin embargo clara-mente se ve que en la tubería de hierro alcanzael mayor valor (2.01 * 10-4), seguido de laMDPE (1.66 * 10-4) y PVC. (1.99 * 10-4)

• Las pérdidas menores en el sistema, inicmente son altas, con una reducción al avanlos días de recirculación, con aumento a losas posteriores de la despresurización y nuemente a una disminución, esto se debe a la lonización en las uniónes de la tuberías entry con las válvulas.

• Las pérdidas del sistema incrementan al tracurrir el tiempo, debido a que el factor de fción incrementa debido a la presencia de b película, las mayores pérdidas que presentaron inicialmente fueron en la tubde MDPE de 4” cuya longitud es de 9 m (0.m), luego la tubería de PVC de 6” con longide 5.2 m (0.07) y después la tubería de hie4” con longitud de 1.51 m (0.018 m), aunlas pérdidas son menores en la tubería de hrro, esta pérdidas, teniendo en cuenta la gmetría, propiedades y regimenes de flujo sistema, son las mayores en este montaje.

• Las valores óptimos, de rugosidad absolucalculados presentan coeficientes de deternación (R²) que oscilan en un rango medio0.85, con valores máximos de 0,99. El tenergran número de resultados con coeficientesdeterminación mayores a 0,9 genera algconfiabilidad en los datos de campo y enmétodo de calibración utilizado.

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