UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA CENTRO DE …

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERIA

CENTRO DE INVESTIGACIONES EN ACUEDUCTOS Y ALCANTARILLADOS

CIACUA

ESTADO DEL ARTE EN METODOLOGÍAS HIDRÁULICAS PARA AIREAR

EL FLUJO CON EL FIN DE PREVENIR LA SEPTICIDAD

Asesor: Ing. JUAN GUILLERMO SALDARRIAGA VALDERRAMA

Presentado por: JUAN PABLO VARGAS ABELLO

DICIEMBRE, 2003

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a mis padres por el apoyo que recibí de ellos durante este proceso

que concluye con este trabajo de grado, agradezco a mi abuelita Cheche

por cada momento que me entrego y dedicó y finalmente al Ingeniero

Juan Saldarriaga sin quien este trabajo no hubiera sido posible.

Universidad de los Andes Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA ICIV 2003 II 35 Hidráulica de Alcantarillados

ESTADO DEL ARTE EN METODOLOGÍAS HIDRÁULICAS PARA AIREAR EL FLUJO CON EL FIN DE

PREVENIR LA SEPTICIDAD

CONTENIDO

Pág.

1. INTRODUCCIÓN 1

2. OBJETIVOS 2

2.1 Objetivo Principal 2

2.2 Objetivos Específicos 2

3. ANTECEDENTES 3

4. MARCO TEÓRICO 6

4.1 Procesos dentro del Alcantarillado 6

4.2 El Proceso de Oxidación 8

4.2.1 Procesos Aeróbicos 9

4.2.2 Procesos Anóxicos 11

4.2.3 Procesos Anaeróbicos 11

4.3 El Ácido Sulfhídrico en los Alcantarillados 12

4.4 La Septicidad en los Alcantarillados 15

4.4.1 Condiciones de Septicidad en los Alcantarillados 15

4.4.2 Prevención de Condiciones Sépticas en los Alcantarillados 19

4.5 El Alcantarillado como un Reactor 23

5. PROCESO DE TRANSFERENCIA DE MASA 25

5.1 Teorías de Transferencia de Masa 25

5.2 Solubilidad del Oxígeno en el Agua 28

5.3 Transferencia del Oxígeno 29

6. EL PROCESO DE AIREACIÓN 32




6.1 Aireación en Estructuras Hidráulicas 34

6.1.1 Aireación en Vertederos de Cresta Delgada 38

6.1.2 Aireación en Caídas Libres 42

6.2 Aireación en Tuberías Parcialmente Llenas 47

7. AIREACIÓN EN SECCIONES QUE TRABAJAN A PRESIÓN

(FLUJO LLENO) 53

8. OTROS METODOS DE AIREACIÓN (NUEVAS TECNOLOGÍAS) 56

9. FACTORES QUE TIENEN MAYOR IMPACTO EN LA AIREACIÓN

DEL AGUA RESIDUAL 58

10. MODELACIÓN DE PROCESOS AERÓBICOS 60

11. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES 66

12. REFERENCIAS 71




INDICE DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Fases principales dentro de un alcantarillado 6 Figura 2. Flujos y procesos presentes es sistemas de alcantarillado

para las diferentes fases 7 Figura 3. Principio de corrosión del concreto por acción del ácido

sulfhídrico en los sistemas de alcantarillado 13 Figura 4. Variación de la condición de septicidad del alcantarillado en

relación con la concentración de oxígeno disuelto y el potencial de reducción 16

Figura 5. Sección transversal y cortes de las diferentes secciones estudiadas

por Baylar en su experimento para determinar la tasa de aireación en presas de cresta delgada 41

Figura 6. Diversos tipos de caídas libres encontradas en los alcantarillados 43 Figura 7. Disposición de las caídas libres dentro de los alcantarillados 45 Figura 8. Modelo esquemático del proceso aeróbico que se lleva a cabo en el agua residual dentro de los alcantarillados 63




INDICE DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Tabla de valores de Z y su significado según Pomeroy 17

Tabla 2. Cuadro comparativo de las alternativas para prevenir condiciones anaeróbicas en alcantarillados 20

Tabla 3. Expresiones empíricas para la determinación de KLO2 en tuberías de alcantarillado 30

Tabla 4. Expresiones empíricas para la determinación de SO en caídas

libres en alcantarillados de gravedad 44 Tabla 5. Ecuaciones para determinar la tasa de aireación en

alcantarillados parcialmente llenos 47 Tabla 6. Resultados obtenidos para la Tasa de aireación a partir de las

ecuaciones de Pomeroy, Mayer y Owens para tuberías con flujo parcialmente lleno 50

Tabla 7. Factores que afectan directamente los procesos aeróbicos en el

alcantarillado 59



PREVENIR LA SEPTICIDAD 1

1. INTRODUCCIÓN

Desde que el hombre se ha congregado en grandes asentamientos creando lo que

denominamos hoy en día zonas urbanas se ha tenido que enfrentar al problema de

la disposición de los residuos que producen sus actividades diarias. Una de las

soluciones que ideó y que sigue siendo utilizada por su eficacia son los sistemas de

alcantarillado, ya sea utilizando medios naturales o construidos por él mismo. El

enfoque que se le ha dado a los alcantarillados a través del tiempo como método de

disposición es precisamente ese, netamente sistemas de disposición; pero la

preocupación un poco más reciente del hombre por la destrucción del medio

ambiente y su conservación llevó a la necesidad de tratar los residuos de varias

maneras y no solamente a disponer de ellos para así reducir el impacto de éstos

sobre el ambiente, implementándose por ejemplo el uso de las plantas de

tratamiento como medio para conseguir ese objetivo.

La mayoría de los diseños de alcantarillados se basan en el concepto de recolección

y transporte y las plantas de tratamiento en el concepto de remoción y limpieza

tratándose estos dos sistemas por separado. El conocer y entender que existen

procesos dentro del alcantarillado ha cambiado nuestra visión de ambos enfoques

produciéndose un giro hacia una visión más integrada no solamente hacia el

aspecto netamente hidráulico que aun es importante y gobernante, sino también

hacia lo que se denominan sistemas continuos (Abdul-Talib, S. 2003). Esta nueva

visión presenta como elemento fundamental el hecho que los cambios que ocurren




dentro del alcantarillado afectan tanto al ambiente como al funcionamiento de las

plantas de tratamiento, surge el concepto del alcantarillado como un reactor

químico-biológico. El considerar al alcantarillado como un reactor y reforzar esta

idea mediante un diseño apropiado puede traer una reducción de los costos tanto de

construcción como de operación de las plantas de tratamiento, reducción de olores y

problemas de corrosión en las tuberías entre otros.

2. OBJETIVOS

2.1 Objetivo Principal

El objetivo principal que se quiere obtener con este proyecto de grado es lograr un

documento que recopile el estado del arte referente a medios para airear el flujo en

alcantarillados con el fin de prevenir condiciones anaerobias dentro de este y por lo

tanto prevenir condiciones de septicidad no deseadas.

2.2 Objetivos Específicos

• Identificar que factores son relevantes en los sistemas de alcantarillado

empleados para airear el flujo y así obtener una primera aproximación a como

deberían diseñarse estos elementos persiguiendo siempre el objetivo de

establecer condiciones aeróbicas dentro de los alcantarillados.

• Identificar como se favorecen las condiciones aerobias mediante la inclusión de

oxígeno disuelto en los alcantarillados para la degradación de la materia




orgánica mediante procesos aeróbicos que reducen condiciones sépticas

molestas y que presentan problemas en los alcantarillados.

• Mostrar la capacidad aun no explotada que tienen los alcantarillados como

reactores biológicos que pueden ser aprovechados como pasos iniciales en el

tratamiento de aguas residuales antes de ser entregadas a plantas de

tratamiento.

• Presentar una primera aproximación a la modelación de los procesos aeróbicos

en el alcantarillado como elemento complementario a los factores que son

fundamentales para la adición de oxígeno y así generar una visión completa de

la teoría.

• Mostrar la necesidad de estudios más profundos en el tema pues este es sin

duda uno de los campos menos estudiados hoy en día en el medio nacional

pero que resulta ser de una altísima importancia para futuros desarrollos y

diseños.

3. ANTECEDENTES

Desde que el hombre ha visto la necesidad de construir alcantarillados por primera

vez en la historia en tiempo de la antigua Mesopotamia pasando por la cloaca

maxima de los Romanos, aun hoy en uso, hasta nuestros días el concepto se ha




limitado simplemente a una red que transporta los desechos fuera de las área

urbanas. Afortunadamente este concepto ha ido cambiando y a partir de la segunda

mitad del siglo veinte hasta nuestros días una nueva visión del alcantarillado está

tomando auge gracias al trabajo de varios autores en campos tan varios como

ingeniería hidráulica, ingeniería de materiales, microbiología y otros.

Los primeros estudios realizados sobre la formación de olores provenientes de los

sistemas de alcantarillado condujo a los primeros adelantos en el entendimiento de

procesos microbiológicos así como la formación del ácido sulfhídrico, estudios

adelantados por Boon y Lister en 1975. Posteriormente adelantos por Pomeroy y

Parkhurst en 1977 y más recientemente por Hvitved-Jacobsen y Vollertsen en el

2001 han complementado las teorías iniciales (Abdul-Talib, S. 2003). La mayoría de

las teorías apuntan a un hecho muy importante que es la presencia del oxígeno

disuelto en el agua para prevenir la formación de los olores molestos producto de la

formación y liberación del H2S; por primera vez se empezaba a hablar del concepto

de aireación en los alcantarillados para prevenir tal condición.

Luego de estos primeros alcances empezaron a aparecer reportes del uso de los

sistemas de alcantarillado como parte del tratamiento de las aguas residuales lo que

planteaba nuevos alcances al sistema, principalmente en países como Israel y

Turquía, con la desventaja que para ese momento aun no se entendía plenamente

la gran cantidad de procesos que ocurrían al interior del sistema lo que los convertía




en “cajas negras” en las cuales se producía un cambio aun no plenamente

comprendido (Abdul-Talib, S. 2003).

Finalmente adelantos en el entendimiento de los procesos al interior del

alcantarillado durante el transporte del agua residual han establecido de una forma

más clara que un diseño óptimo del alcantarillado debe contar tanto con un diseño

hidráulico apropiado, así como también un diseño adecuado como parte integral del

sistema de tratamiento del agua residual. Como parte de este sistema integral de

tratamiento se han destacado las ventajas de aprovechar algunas estructuras

hidráulicas para airear el flujo favoreciendo condiciones aeróbias deseables para

remover gran parte de la materia orgánica contaminante y reducir así graves

problemas tales como la corrosión y generación de malos olores, tema que se

presenta a continuación.




4. MARCO TEÓRICO

4.1 Procesos dentro del Alcantarillado

Los procesos que ocurren dentro de los sistemas de alcantarillado se producen bajo

un sistema altamente complejo los cuales pueden darse a su vez en una o varias de

las cuatro fases principales dentro de este, a saber: la fase acuosa, la biopelícula,

los sedimentos y finalmente la atmósfera (Hvitved-Jacobsen, T. 2002).

Figura 1. Fases principales dentro de un alcantarillado (Hvitved-Jacobsen, T. 2002)

La totalidad de los procesos que ocurren al interior se suceden en una o más de las

cuatro fases antes mencionadas así como por el continuo intercambio de sustancias

entre ellas. Es evidente que estos procesos no solamente afectan procesos




internos sino también interactúan con el exterior afectándolo y a su vez este afecta

el sistema internamente (figura 2).

La mayoría de los procesos que ocurren dentro de los alcantarillados se deben a la

degradación que llevan a cabo ciertos microorganismos heterótrofos de los

componentes de las aguas residuales (Hvitved-Jacobsen, T. 2002), estos procesos

se llevan a cabo bajo condiciones de reducción determinadas por la disponibilidad

del tipo de elemento receptor e electrones.

Figura 2. Flujos y procesos presentes es sistemas de alcantarillado para las diferentes fases (Hvitved-Jacobsen, T. 2002)

Las condiciones de reducción dependen de la configuración y la operación del

sistema de alcantarillado, en general se presentan tres condiciones generales bajo

las cuales los procesos de oxidación se pueden presentar: aeróbicas, anaeróbicas




y anóxicas. Las condiciones aeróbicas se presentan en redes de alcantarillado que

funcionan por gravedad parcialmente llenas; las condiciones anaeróbicas se

presentan generalmente en secciones trabajando a flujo lleno (presión), cuando todo

el oxígeno disuelto ha sido consumido por los microorganismos en tuberías

parcialmente llenas o también sistemas con bajas pendientes y alta sedimentación;

finalmente las condiciones anóxicas solo se producirán si se encuentran en el

sistema nitratos u óxidos de substancias inorgánicas nitrogenadas (Hvitved-

Jacobsen, T. 2002).

Existen algunos otros factores de relevancia que favorecen alguna de las

condiciones arriba mencionadas, por ejemplo: la turbulencia del flujo favorece

condiciones aerobias al aumentarse la superficie de contacto para el intercambio de

substancias; las relaciones profundidad-diámetro afectan la cantidad de biopelícula

presente que afectan a su vez procesos anaeróbicos; la velocidad de flujo determina

los esfuerzos cortantes y por consiguiente la auto limpieza de sedimentos (que son

lugares donde se llega fácilmente a una condición anaeróbica) entre otros son

factores a tener en cuenta para poder determinar a priori que tipo de reacción se

puede presentar.

4.2 El Proceso de Oxidación

Uno de los procesos más importantes que tiene lugar en los alcantarillados es la

oxidación. La presencia de la biomasa heterotrófica en el agua residual, la

biopelícula y los sedimentos en el alcantarillado son parte central para los procesos




bioquímicos que ocurren en él. Esta biomasa hace uso de la materia orgánica que

se encuentra en el agua residual cumpliendo dos objetivos básicos: la materia

orgánica (sustrato) es la fuente de carbono para el crecimiento microbiano necesario

para la formación de nuevas células y es a su vez la fuente de energía necesaria

para el mantenimiento de la vida (Hvitved-Jacobsen, T. 2002); el proceso que hace

utilizable la energía que se encuentra acumulada en la materia orgánica por los

microorganismos es la oxidación; el proceso microbiano que utiliza el sustrato para

crecimiento de la biomasa ocurre paralelamente a la producción de energía al ser

liberados los electrones en el proceso de oxidación.

Los microorganismos heterótrofos pueden utilizar diferentes receptores de

electrones, así si hay oxígeno disponible este será el receptor y el proceso será

aerobio. Por otra parte en ausencia de oxígeno y en presencia de nitratos estos

serán los receptores y se producirá una condición anóxica. Si no hay ni oxígeno ni

nitratos los receptores de electrones serán sulfatos o dióxido de carbono

generándose condiciones anaerobias. Varios estudios indican que la tasa de

remoción de materia orgánica bajo condiciones aeróbicas es mucho mayor que bajo

condiciones anaeróbicas o anóxicas por lo tanto la primera sería deseable sobre las

otras dos (Almeida, M. C. 1999).

4.2.1 Procesos Aeróbicos

En los procesos de respiración aerobia las bacterias heterotróficas toman las

moléculas orgánicas que donan sus electrones al ser descompuestas en moléculas




más pequeñas, los electrones serán tomados en este caso por el oxígeno molecular

quien junto con el carbono es liberado al ambiente en forma de CO2 produciéndose

la respiración bacteriana. La energía liberada de la reacción es utilizada por las

bacterias para su crecimiento y mantenimiento de sus actividades.

Para este proceso es deseable conocer cual es la cantidad de oxígeno que

consumen las bacterias para realizar los procesos de metabolismo pues si se

conoce este valor se puede determinar que tanto oxígeno se necesita en el sistema

para favorecer este tipo de condición, por supuesto este deberá depender de los

factores locales pero se han encontrado valores típicos entre 2 y 20g O2m-3h-1

(Hvitved-Jacobsen, T. 2002). Este tipo de procesos son altamente eficientes en la

degradación de compuestos orgánicos razón por la cual son deseables en los

alcantarillados.

Bajo condiciones aeróbicas de degradación hay una menor demanda biológica en la

fase líquida, del proceso se obtienen residuos con un aspecto parecido al humus

inodoro que tienen la característica de ser biológicamente estable en alto grado y de

fácil disposición, por otra parte se producen lodos que tienen alto valor para ser

utilizados como fertilizantes y que también son inodoros (Tjandraatmadja, G.F.

2002).




4.2.2 Procesos Anóxicos

Los procesos anóxicos son muy parecidos a los procesos aerobios. La única

diferencia es que el compuesto que recibe en este caso los electrones son nitratos

generándose N2 como producto de la reacción. Este tipo de reacción solo se

produce bajo condiciones de cero o baja concentración de oxígeno disuelto y con

altas concentraciones de nitratos u óxidos nitrogenados. Ya que esta última

condición no es muy frecuente en los alcantarillados este tipo de condición solo se

presenta en medios artificialmente implementados por el hombre mediante la

adición de nitratos.

4.2.3 Procesos Anaeróbicos

En los procesos anaeróbicos no se requiere la presencia de ningún tipo de elemento

receptor para los electrones, por el contrario el sustrato orgánico sufre una serie de

reacciones balanceadas de oxidación y reducción dando como resultado materia

orgánica de menor peso molecular así como CO2. Este proceso es conocido como

fermentación y sus productos (Ej. ácido acético, ácido láctico) en presencia de

sustrato fermentable son tomados por bacterias reductoras de sulfato que lo

emplean como receptor final de electrones produciendo ácido sulfhídrico altamente

nocivo en las alcantarillas. En otros casos las bacterias metanogénicas en

ausencia de sulfato degradan los productos de la fermentación para obtener energía

produciendo metano como compuesto final de la reacción.




La fermentación ocurre tanto en la fase acuosa como en la biopelícula y los

sedimentos, los procesos de reducción de sulfatos producidos por bacterias

especializadas para la labor por ser de crecimiento lento se producen principalmente

en la biopelícula y los sedimentos donde el sulfato puede penetrar y donde las

condiciones son principalmente anaeróbicas. Los procesos metanogénicos al

requerir la ausencia de sulfatos (o al menos bajas concentraciones) se presentan en

las partes más profundas de los sedimentos.

4.3 El Ácido Sulfhídrico en los Alcantarillados

En los alcantarillados se encuentran los tres elementos básicos para la formación

del ácido sulfhídrico, a saber: materia orgánica, bacterias y sulfatos. Cuando se

favorecen las condiciones anaeróbicas dentro del alcantarillado, es decir no hay

presencia de oxígeno disuelto o no existen óxidos de nitrógeno que aporten oxígeno

a la reacción, las bacterias reductoras de sulfatos producen a partir de su actividad

biológica ácido sulfhídrico (H2S).

Este elemento al ser liberado a la atmósfera dentro del alcantarillado tiene entre

otros efectos negativos una gran capacidad corrosiva sobre elementos metálicos y a

su vez por acción de la humedad presente en las paredes se convierte en ácido

sulfúrico (H2SO4) de efectos corrosivos sobre el concreto tal y como se presenta

esquemáticamente en la figura 3.




Figura 3. Principio de corrosión del concreto por acción del ácido sulfhídrico en los sistemas de alcantarillado (Hvitved-Jacobsen, T. 2002)

El ácido sulfúrico creado gracias a la humedad de las paredes reacciona más

específicamente con el álcali del cemento en el concreto siguiendo la reacción

H2SO4 + CaCO3 → H2O + CO2 + CaSO4.

Así como su potencial corrosivo es altamente contraproducente dentro de los

alcantarillados existen otros factores que convierten al ácido sulfhídrico en un

elemento no deseable dentro de los sistemas de alcantarillado, algunos de los

cuales se enumeran a continuación. En primer lugar concentraciones medias a

bajas del compuesto que son liberadas a la atmósfera generan malos olores que ya

son característicos para nosotros al asociarlos con los alcantarillados y que son

altamente molestos.




En segundo lugar su presencia en altas concentraciones presenta un riesgo para la

salud humana produciendo hasta la muerte (es más peligroso el hecho que el olor

del compuesto disminuye a medida que aumenta la concentración haciéndose cada

vez menos perceptible para el olfato humano, reduciéndose así su detección). Se

han registrado muertes humanas por concentraciones alrededor de 300 ppm en el

aire, concentración que se presenta si se tiene en la fase acuosa del alcantarillado

una concentración de tan solo 1 mg L-1 y que puede ser potencialmente liberado a la

atmósfera (Pomeroy, R.D. 1992).

Cuando se presentan las condiciones anaeróbicas los principales factores que

limitan la tasa de formación del sulfuro son la presencia de sulfato, la cantidad y

calidad de la materia orgánica biodegradable, la temperatura, el pH, la relación área-

volumen, la velocidad de flujo y el tiempo de residencia anaeróbica (Hvitved-

Jacobsen, T. 2002); factores que se deben tener en cuenta cuando se trata de

prevenir esta condición.

Una de las formas más elementales que se conocen para combatir la formación de

ácido sulfhídrico en el alcantarillado es evitar llegar a una condición anaeróbica lo

que se logra mediante la adición de oxígeno. La concentración de oxígeno

necesaria para prevenir la formación de sulfuros varía enormemente y depende de

ciertos factores como por ejemplo la velocidad de flujo, si esta es muy baja la

transferencia de oxígeno a las partes más profundas del sedimento es baja y se

necesitarán concentraciones más altas de oxígeno para evitar la formación del




sulfuro contrario al caso cuando la velocidad de flujo es mayor. Para algunos casos

se necesitarán concentraciones de oxígeno de alrededor de 0.5 mg L-1 para evitar

situaciones en las cuales se forme el ácido sulfhídrico pero este valor puede variar

hasta 1 mg L-1 en otros casos (Pomeroy, R. D. 1992).

4.4 La Septicidad en los Alcantarillados

4.4.1 Condiciones de Septicidad en los Alcantarillados

Se considera que la septicidad dentro de un sistema de alcantarillado resulta de la

actividad de crecimiento normal de ciertas bacterias quienes bajo condiciones

anaeróbicas, es decir cuando todo el oxígeno disuelto presente en la fase acuosa ha

sido consumido, reducen compuestos orgánicos que contienen sulfatos a sulfuros y

algunos otros compuestos generalmente de olor desagradable. El ácido sulfhídrico

formado en secciones aguas arriba del sistema contamina la atmósfera aguas abajo

cuando es liberado. Dos de los sitios de mayor cuidado son los pozos de inspección

y pozos mojados en estaciones de bombeo donde se presentan generalmente

condiciones de toxicidad elevada para los trabajadores debido a la liberación del gas

tóxico proveniente de secciones aguas arriba.

El agua residual doméstica normalmente contiene alrededor de 3 a 6 mg L-1 de

azufre orgánico que en ausencia de oxígeno disuelto será reducido primero en

sulfuro al tener un potencial de reducción más elevado. Luego de la reducción del

azufre orgánico los compuestos inorgánicos del azufre tales como los sulfatos serán

reducidos debido a sus potenciales más bajos. El potencial de reducción según ha




sido identificado por algunos autores como Boon resulta ser un delimitador al rango

entre un alcantarillado séptico a uno que se considera fresco, tal como se puede ver

en la figura 3, en donde también se observa como la concentración de oxígeno

disuelto es también un factor decisivo para delimitar las dos condiciones (Boon, A.G.

1995).

Figura 4. Variación de la condición de septicidad del alcantarillado en relación con la concentración de oxígeno disuelto y el potencial de reducción (Boon, A.G. 1995)

Cuando se diseña un alcantarillado es deseable conocer que condiciones son

favorables para los procesos anaeróbicos y así poder evitarlos. Varios intentos se

han hecho al respecto siendo uno de los más aceptados el llamado “fórmula Z” que

se emplea en sistemas que fluyen por gravedad. Esta fórmula da como resultado

un indicador cualitativo propuesto para alcantarillados pequeños (diámetros

menores a 600 mm) por Pomeroy en 1970 para conocer bajo que condiciones se




puede formar el ácido sulfhídrico. La fórmula propuesta originalmente es la

siguiente:

[ ]bP

QsEBODZ .3

3/12/1= (1)

donde EBOD es la DBO efectiva es decir la DBO estándar (mg L-1) multiplicada por

un coeficiente de temperatura igual a 1.07(T-20), s es la pendiente del alcantarillado

(m/100m), Q es el caudal ( L s-1) y P/b es la razón entre el perímetro mojado y b el

ancho de la superficie del agua en la superficie. Luego de obtener el valor para Z

con las características del alcantarillado bajo estudio se compara este con una tabla

generada por el mismo Pomeroy (tabla2) desarrollada a partir del estudio y

observación de muchos alcantarillados de las mismas características y que dará

información de las posibilidades del alcantarillado estudiado a formar ácido

sulfhídrico.

Valor de Z Condiciones más probables

Menor a 5000 Presencia escasa de sulfuros Alrededor de 7500 Bajas concentraciones de sulfuros se

producirán Alrededor de 10000 Se producirán condiciones para causar

malos olores y corrosión Alrededor de 15000 Problemas frecuentes de olores y

corrosión Tabla 1. Tabla de valores de Z y su significado según Pomeroy

(obtenido de Boon A.G. 1995)




Algunos de los esfuerzos se han centrado en estudios para determinar cual es la

tasa de corrosión que se presenta en la tuberías de concreto, esto con el fin de

poder predecir cual será la longevidad o vida útil esperada para el sistema antes

que colapse por causa del ácido sulfúrico. La USEPA en 1974 estableció la

siguiente ecuación para tal fin (tomada de Hvitved-Jacobsen, T. 2002):

Afkc 4.11= (2)

donde c es la tasa de corrosión (mm año-1), k es un factor que corrige el hecho que

no todo el ácido sulfúrico reacciona con el concreto (toma el valor de 1 si la tasa de

formación del ácido es baja y valores entre 0.3 y 0.4 si esta tasa es alta), f es la tasa

de absorción del ácido en la superficie de la tubería (g m-2 h-1) y A es la alcalinidad

del concreto en unidades de CaCO3.

Determinar una tasa de corrosión completamente confiable es imposible hasta el

momento debido a la complejidad y variedad de procesos que se deben suceder

para que finalmente se presente, es imposible agrupar todos estos procesos en una

sola ecuación tal y como se intenta en la ecuación 2. Las mejores aproximaciones

para determinar una tasa de corrosión realmente confiable se han logrado cuando

se presentan tasas de formación del ácido realmente altas casos para los cuales la

tasa de corrosión se encuentra alrededor de 4 a 5 mm por año.




Dos de las condiciones que se considera que aumentan la posibilidad de corrosión

en las tuberías y que se deberían tener en cuenta como zonas altamente

vulnerables son:

1) Zonas aguas abajo de tramos que trabajan a presión en donde se presentan

las condiciones propicias para la formación de ácido sulfhídrico; también en

zonas aguas abajo de tramos que funcionan por gravedad con zonas de alta

sedimentación.

2) Sistemas altamente turbulentos que funcionan bajo condiciones anaeróbicas

permanentemente en las cuales el ácido sulfhídrico es liberado a la

atmósfera rápidamente.

4.4.2 Prevención de Condiciones Sépticas en los Alcantarillados

Para prevenir la formación de sulfuros en los alcantarillados se pueden seguir dos

metodologías generales, la primera en la que se inhibe el crecimiento las bacterias

causantes de la reducción de los sulfatos o bien previniendo las condiciones que

generarían procesos anaeróbicos por parte de las mismas bacterias. Dentro de las

soluciones específicas se destacan la inhibición mediante adición de químicos, el

mantenimiento de las condiciones anóxicas, la remoción del ácido sulfhídrico

mediante químicos y finalmente el mantenimiento de las condiciones aeróbicas en

todo momento (Alibhai, K. 1995). Estas metodologías se resumen en la tabla 1 en

donde se presentan además las ventajas y desventajas de cada uno de los

métodos.




Método Descripción Ventajas Desventajas

Inhibición Inhibir actividad bacterial mediante el uso de cloruros e hipoclorito de sodio

Moderadamente efectivo. Mejor si se usa en alcantarillados pequeños.

Costoso; afecta procesos en PTAR, sobre todo tratamiento de lodos

Adición de nitratos Adición de nitratos que proveen el oxígeno a las bacterias para prevenir condiciones anaeróbicas

Altamente efectivo en tramos cortos

Algunos compuestos contienen aniones de sulfato de sales que incrementan las condiciones de septicidad; su adición depende de características cambiantes del sistema.

Químicamente (1) Remoción química del H2S mediante adición de hidróxido de sodio (incremento del pH > 9 para matar bacterias productoras)

Medianamente Efectivo

Altamente costoso; difícil controlar la condición de pH en todo momento; producción de olores de tipo alcalino molestos

Químicamente (2) Prevención de formación del H2S mediante adición de H2O2 que se descompone en agua y oxígeno disuelto

Efectivo solo en las zonas de adición del H2O2

Altamente costoso (20 veces comparado con oxígeno inyectado).

Mantenimiento de las condiciones aeróbicas

Inyección de oxígeno o aire mecánicamente; adición de oxígeno mediante medios hidráulicos

Altamente efectivo; bajo costo.

Algunos métodos de inyección de oxígeno o aire son costosos según el sistema empleado

Tabla 2. Cuadro comparativo de las alternativas para prevenir condiciones anaeróbicas en alcantarillados

Las alternativas que tienen como enfoque la adición de químicos para reducir la

formación del ácido sulfhídrico requieren la instalación de estaciones para adición

que en la mayoría de los casos es poco viable unido al hecho que se incurre en un

gasto que no se está dispuesto a pagar tanto en inversión y manejo así como en el

gasto permanente representado en la compra de los insumos químicos. La

alternativa que tiene como objetivo favorecer y mantener las condiciones aeróbicas

mediante adición de aire de la atmósfera se presenta como una solución de bajo




costo y altamente efectiva. Los costos de sistemas inyectores (medios mecánicos)

son menos elevados que aquellos en los que se incurre por metodologías mediante

adición de químicos pero siguen siendo más elevados que las metodologías de

adición de aire mediante estructuras hidráulicas. Por lo tanto sería deseable que

estos sistemas sean instalados exclusivamente en zonas que trabajan a presión

donde las condiciones anaeróbicas son fácilmente alcanzables y las metodologías

hidráulicas para airear el flujo no son aplicables.

Otras metodologías propuestas por Boon que no se incluyen en la tabla 1 debido a

que solamente solucionan alguno de los problemas que acarrea el ácido sulfhídrico

pero que de igual forma sirven como solución parcial son (Boon, A. G., 1995):

• Depuración de gases: elimina los malos olores mediante metodologías de

barrera como las biológicas o las químicas.

• Limpieza: mantenimiento de los sistemas de alcantarillado mediante

limpieza periódica de acumulación de limos y cieno.

• Uso de otros materiales: emplear materiales diferentes al concreto que no

se vean afectados por el ataque del ácido sulfúrico. Algunos de estos

materiales incluyen plásticos, tuberías hechas con arcilla vitrificada y

tuberías de concreto con agregados altamente alcalinos que reaccionan

más lentamente al ataque del ácido prolongando su vida. Aunque el empleo

de tuberías en plástico y arcilla vitrificada es costoso su uso en zonas donde




es inevitable la formación del ácido sulfúrico resulta ser económico frente al

costo total del sistema de alcantarillado.

• Ventilación: El ataque a los materiales como el concreto solo se produce si

las paredes están húmedas, por lo tanto si se logra una buena ventilación se

estaría evitando la condición húmeda. Solo sería recomendable en

alcantarillados con diámetros mayores.

Pueden darse casos en los que la formación del ácido sulfhídrico es totalmente

imposible para lo cual es deseable evitar puntos turbulentos para que no haya paso

del ácido a la atmósfera del alcantarillado. El reducir la turbulencia va en detrimento

de la oxigenación que pudiera darse en el sistema para evitar la formación del ácido

lo que genera una disyuntiva. Boon sugiere que si tal es el caso debería tratarse de

obtener un balance entre estos dos elementos lo que se logra manteniendo

velocidades de flujo constantes independientemente de la tasa de flujo (Boon, A. G.,

1995).

Otro de los grandes efectos negativos que tienen los alcantarillados que operan bajo

condiciones de septicidad es su impacto en la operación de las plantas de

tratamiento afectando los procesos de tratamiento mecánico debido a la reducción

de la velocidad de sedimentación de los sólidos suspendidos (AesØy 1998 tomado

de Tjandraatmadja, G.F. 2002); también se afectan los procesos biológicos debido

a la capacidad del ácido sulfhídrico para inhibir los procesos de nitrificación (AesØy

1998 tomado de Tjandraatmadja, G.F. 2002).




Finalmente de forma general existen tres metodologías de control para prevenir y

controlar la formación del ácido sulfhídrico según Hvitved-Jacobsen (Hvitved-

Jacobsen, T. 2002):

1) Procedimientos de control activo: se destacan el incremento de la aireación,

reducción de turbulencia en casos especiales, reducción de condiciones de

sedimentación excesiva y reducción del ancho de las biopelículas.

2) Procedimientos de control pasivo: selección de materiales resistentes para

zonas adecuadas y diseño de alcantarillados con sistemas de ventilación

adecuados.

3) Controles operacionales: este tipo de metodología aunque se ha empleado

en el pasado es la que menos se aplica en la mayoría de los casos y tiene

que ver con procedimientos que se deben adoptar a medida que se opera el

sistema y que sirvan como metodologías de prevención de formación de

condiciones de septicidad. Entre estos se pueden encontrar el manejo de

compuertas de descarga, manejo de tiempos de retención también mediante

el uso de compuertas, etc.

4.5 El Alcantarillado como un Reactor

Uno de los objetivos principales de este trabajo recopilatorio es mostrar la capacidad

que verdaderamente tiene un alcantarillado para remover materia orgánica

degradable por medio de bacterias que se encuentran dentro del sistema y a su vez

mostrar que los procesos aeróbicos son altamente efectivos comparados con otros




procesos; es deseable entonces que los procesos anaeróbicos deban favorecerse

dentro del alcantarillado. Para cumplir con ese objetivo el autor ha decidido mostrar

los resultados obtenidos de un estudio hecho por estudiantes en el campus de la

Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong, quienes por medio de

mediciones hechas durante varios días mostraron la capacidad de remoción de la

materia orgánica disuelta en un tramo de tubería particular trabajando bajo

condiciones aeróbicas.

Se tomó un tramo de 1.5 km de un sistema de alcantarillado de gravedad con 14

accesos, pendiente aproximada de 0.0075 a lo largo de toda la longitud estudiada y

diámetro interno de 450 mm. El parámetro para medir la capacidad de remoción del

sistema fue el nivel de carbono orgánico disuelto. Utilizando aparatos medidores

de oxígeno disuelto así como medidores de carbono orgánico tanto en los puntos

extremos como en varios puntos intermedios, se obtuvieron varios resultados

presentados por sus autores y que se reproducen a continuación y que sirven como

punto de partida para comprender la importancia de la capacidad de degradación de

la materia orgánica dentro de los alcantarillados (Chen, G-H. 2001):

• La biopelícula es la responsable de la mayor cantidad de materia orgánica

removida.

• El sistema eliminó en un período de retención de 18 minutos el 14% del

carbono orgánico disuelto en el agua. Cálculos hechos por los autores del

estudio estiman que si se eleva este tiempo a 40 minutos se pueden lograr

remociones de alrededor de 55%.




• Si se toma el sistema como un reactor tubular su capacidad de remoción

diaria de carbono orgánico en términos medidos como demanda química de

oxígeno es de 39,13 kg d-1.

• La remoción de oxígeno a lo largo de la tubería muestra índices elevados de

hasta 3.1 mg L-1.

Estos resultados sirven como elementos de partida que demuestran la importancia

que tienen los alcantarillados como reactores y muestran aun de una manera más

clara como el poder manipular factores como el tiempo de retención (para este caso

aumentándolo) mediante diseños adecuados así como el poder construir puntos en

los cuales se adicione oxígeno al sistema se deberían esperar mayores condiciones

de remoción de materia orgánica, reduciéndose así la probabilidad de presentarse

condiciones anaeróbicas previniendo condiciones de septicidad y aliviando la carga

de remoción sobre las plantas de tratamiento.

5. PROCESO DE TRANSFERENCIA DE MASA

5.1 Teorías de Transferencia de Masa

Debido a que la mayoría de los alcantarillados se diseñan para que predominen

condiciones de flujo libre y que este opere bajo acción de la gravedad por lo general

se presenta una fase acuosa y una fase al aire libre o atmósfera del alcantarillado.

Entre estas dos condiciones aire-agua existen varios procesos de intercambio de

substancias que son directamente afectados y afectan otros procesos dentro del




alcantarillado, siendo los más relevantes la transferencia de oxígeno y la liberación

de compuestos provenientes del proceso de oxidación del sulfato.

Existen varios modelos teóricos para explicar la transferencia entre el aire y el agua,

uno de los más tradicionales es la teoría de las dos películas propuesto por Lewis y

Whitman en 1924. La teoría considera la difusión molecular de un compuesto volátil

a través de las películas de la fase líquida y la gaseosa. El proceso se divide en dos

etapas una en la que hay paso de la masa de la fase acuosa a una interfase y dos

de la interfase al aire o viceversa; la fuerza que empuja el paso de esa masa por

unidad de área a través de las fases (JA) está determinada por la diferencia entre las

fracciones molares de la sustancia (xA) tanto en el agua como en el aire y sus

correspondientes valores de equilibrio (xA*), tal como lo expresa la siguiente

ecuación:

JA = k (xA* - xA) (3)

Ya que se puede tener un flujo en cualquiera de las dos direcciones se debe

conocer en cual de las dos es la que se presenta mayor resistencia a la

transferencia y será esta la que gobierne el flujo. Los valores de equilibrio son

valores ficticios pero que pueden ser determinados mediante el uso de la Ley De

Henry. Empleando esta ley y sustituyéndola en la anterior ecuación se llega a otra

ecuación que corrobora el hecho que la resistencia total al movimiento a través de la




frontera aire-agua es igual a la suma de la resistencias a través de la película líquida

y la película gaseosa (ecuación 3):

kHkk AAAL

P

12*

11+= (4)

donde kL es el coeficiente de transferencia total referido a la fase líquida, K1A es el

coeficiente de transferencia de masa de la fase gaseosa, k2A es el coeficiente de

transferencia de masa de la fase líquida, P es la presión total y HA es el coeficiente

de la ley de Henry para un elemento dado A . Esta ecuación es de gran utilidad

pues muestra por ejemplo que a grandes valores de HA (Ej. Oxígeno) la resistencia

existe principalmente en la película del agua y la turbulencia en ella incrementará la

transferencia aire-agua. Ocurre lo contrario cuando los valores de HA son menores

(Ej. Compuestos generadores de malos olores) donde la turbulencia en el agua no

es tan importante y será la turbulencia en el aire la que incrementará la tasa de

liberación de estos compuestos al aire (Hvitved-Jacobsen, T. 2002).

Algunas otras teorías como las propuestas por Dobbins en 1956 y Higbie en 1935

de penetración y cambio del estado de la superficie sugieren que los coeficientes se

trasferencia varíen proporcionalmente dependiendo de la difusividad molecular

elevada a alguna potencia que varía entre 0.5 y 1, siendo 0.5 adecuada para los

casos en los cuales exista un rápido cambio de la superficie es decir condiciones

turbulentas y 1 para condiciones con menor tasa de cambio es decir cero

turbulencia o calmas.




5.2 Solubilidad del Oxígeno en el Agua

Debido a la baja solubilidad del oxígeno en el agua y una relativamente alta

resistencia a la transferencia de este entre la fase aire-agua comparado a una alta

tasa de demanda de oxígeno disuelto por las bacterias en los procesos aeróbicos,

hace que la solubilidad de oxígeno sea uno de los más importantes parámetros a

tener en cuenta cuando se estudian las teorías de transferencia de masa. Uno de

los puntos más relevantes frente a este parámetro es su estrecha dependencia con

otros parámetros que varían constantemente en el agua residual como la

temperatura lo que lo hace muy variable dentro de los sistemas y poco predecible.

La solubilidad del oxígeno en el agua en equilibrio con la atmósfera se define como:

)0000773.000799.014022.0652.14(760

32 TTTp

pPS

S

SOS −+−

−−

= (5)

donde SOS es la concentración de saturación del oxígeno disuelto en agua (gO2 m-3),

P es la presión del aire (mmHg), ps es la presión de vapor saturada a la

temperatura T (mmHg) y T es la temperatura (°C).

Esta última ecuación se emplea cuando se trata de agua limpia luego debe

afectarse por un factor para tener en cuenta el hecho que la solubilidad se afecta

debido a ciertos componentes presentes en el agua residual, así:




SOS,ww = β SOS (6)

Donde β varía entre 0.8 y 0.95 dependiendo del tipo de agua residual que se tenga.

5.3 Transferencia del Oxígeno

Se han propuesto varias ecuaciones de tipo empírico para determinar la

transferencia de oxígeno en tuberías basadas en grandes cantidades de datos

experimentales. La forma general de la ecuación para expresar la tasa de

transferencia de oxígeno se puede expresar como:

)()( 2 OOSLOOOSL SSKSSaKFdtdS

−=−== (7)

donde F es la rata de transferencia de oxígeno (g m-3 s-1), KLO2 = KLa es el

coeficiente global de transferencia para el oxígeno (s-1), SOS es la concentración de

saturación del oxígeno disuelto en agua y SO es la concentración del oxígeno en la

fase acuosa (g m-3).

Como se vio antes para el caso de la solubilidad del oxígeno en el agua la

temperatura tiene una relación estrecha con los procesos de transferencia de masa,

hecho que tuvo que ser tenido en cuenta de igual forma con la primera versión de la

ecuación de transferencia. Al modificar la ecuación 6 para incluir el efecto de la

temperatura se llegó finalmente a la forma de la ecuación más general. De la

misma forma se incluyó un parámetro que incluye la diferencia que existe entre la




tasa de transferencia del agua potable y agua residual lo que llevó a la versión

completa de la ecuación de tasa de transferencia de oxígeno para el agua residual

expresada como:

)20(2 ))(20( −−= T

rOOSLO SSKF αβα (8)

donde α es el factor de corrección por la presencia de agentes activos en la

superficie de agua (agua residual) y αr es el coeficiente de temperatura para

aireación; estos dos últimos coeficientes son adimensionales.

El factor KLO2 tiene gran relevancia dentro de la ecuación por lo cual se han

desarrollado a partir de varios estudios independientes hechos en tuberías de

alcantarillado reales algunas ecuaciones que relacionan este valor con las

condiciones de flujo así como las características físicas de la tubería. Algunas de

estas ecuaciones se presentan en la siguiente tabla.

Desarrollada por Valor de KLO2 (h-1)

Parkhurst y Pomeroy (1972) 0.96(1+0.17 Fr2)(su)3/8dm-1

Taghizadeh-Nasser (1986) 0.4u(dm/R)0.613dm-1

Jensen (1994) 0.86(1+0.2Fr2)(su)3/8dm-1

Donde Fr es el número de Froude, dm es la profundidad media, u es la velocidad media de flujo, s es la pendiente y R es el radio hidráulico.

Tabla 3. Expresiones empíricas para la determinación

de KLO2 en tuberías de alcantarillado (Hvitved-Jacobsen, T. 2002)




Las ecuaciones propuestas por Parhurst y Pomeroy así como la propuesta por

Jensen incluyen el hecho que el coeficiente de transferencia se reduce casi a cero

cuando el flujo se aproxima a condiciones de flujo lleno evento en el cual la

atmósfera del alcantarillado ha sido reemplazada por el fluido reduciendo la tasa de

transferencia favoreciendo condiciones anaeróbicas.

Balmér y Tagizadeh-Nasser en 1995 realizaron un estudio bajo condiciones

controladas de la tasa de transferencia de oxígeno en 50 ensayos variando la

pendiente y el caudal para comprobar que tan acertadas son las ecuaciones

propuestas para determinar el valor de KLO2, los resultados afirmaron el hecho que

este parámetro se puede predecir mediante una función que incluye la velocidad y la

pendiente como factores determinantes así como la profundidad media. Si se

observa de la tabla 3 se puede observar que este último parámetro no es incluido en

la ecuación propuesta por Parkhurst y Pomeroy ni en la propuesta por Jensen. Por

otra parte Balmér y Tagizadeh-Nasser concluyeron que la transferencia de oxígeno

que se encuentra mediante pruebas controladas es mayor que la que

verdaderamente se encontraría en los alcantarillados lo que lleva a tomar con

cuidado los resultados obtenidos mediante el uso de ciertas ecuaciones que se

basan en ensayos controlados; esto abre la necesidad de realizar estudios dentro

de los sistemas de alcantarillado reales (Balmér, P. 1995)




6. El PROCESO DE AIREACIÓN

Como se vio antes uno de los métodos que más presenta ventajas y menores

costos para prevenir condiciones de septicidad en los alcantarillados es favorecer

las condiciones aerobias de consumo de materia orgánica por parte de las

bacterias. El objetivo central de los procesos de aireación es adicionar

constantemente el oxígeno necesario a la corriente de agua para favorecer así las

condiciones aeróbicas debido a que este tipo de procesos consumen grandes

cantidades de este elemento. Para ello se pueden emplear dos metodologías una

mediante medios mecánicos y la otra aprovechando ciertas estructuras o

condiciones que hacen que la superficie del fluido se exponga más al aire

favoreciendo el intercambio del oxígeno con el agua.

La segunda de estas metodologías muestra en principio ser más económica pues

no necesita un mantenimiento constante y no necesita energía aparte únicamente

de aquella que lleva la misma agua al fluir. Dentro de los alcantarillados la

aireación se presenta en puntos especiales dentro del sistema donde se puede

presentar turbulencia tales como uniones, estructuras de acceso, puntos donde hay

cambio de dirección, estructuras especiales, etc. Cada uno de estos puntos se

caracteriza por ciertos elementos que en principio son los que deberían afectar la

tasa de aireación, por lo tanto se debe estar en capacidad de generar las

ecuaciones que incluyan estos parámetros para así poder determinar la respectiva

tasa de aireación (Hvitved-Jacobsen, T. 2002).




La primera ecuación general para describir el proceso de aireación fue planteada

por Gameson en 1957 la cual expresa la tasa de transferencia de oxigeno en

términos de una eficiencia. La tasa será entonces la eficiencia que se alcance de

una cierta concentración de oxígeno en la fase líquida igual frente a la concentración

de equilibrio con la atmósfera. Antes de obtener la ecuación de eficiencia se

estableció antes una ecuación que expresa el déficit de aireación en un punto

específico So:

dOOS

uOOSO SS

SSS

,

,

−−

= (9)

donde SO es la relación déficit de aireación que existe en un punto específico bajo

estudio, SO,u es la concentración del oxígeno disuelto aguas arriba del punto (gO2 m-

3) y SO,d es la concentración del oxígeno disuelto aguas abajo de este (gO2 m-3).

Este déficit varía de uno hasta infinito siendo uno la condición para el caso de no

transferencia de oxígeno e infinito la condición para el caso de transferencia

máxima. Luego de definir el valor para SO se puede relacionar este valor con la

eficiencia de transferencia de oxígeno E como:

OuOOS

uOdO

SSSSS

E 11,

,, −=−−

= (10)




Esta segunda ecuación expresa el cambio en la concentración como una fracción

del déficit inicial así la eficiencia será cero si no ocurre ninguna transferencia y uno

será el caso de transferencia completa o máxima. Estas dos últimas ecuaciones se

utilizan como medios comparativos del nivel de aireación entre estructuras así como

para definir cual puede llegar a ser mejor que otra bajo ciertas circunstancias dadas.

Debido a que se ha encontrado que el nivel de aireación se ve afectado por la

temperatura del agua se han propuesto ecuaciones que relacionan la eficiencia a

20°C como temperatura estándar frente a otras temperaturas. Gulliver y Rindels en

1993 presentaron la siguiente ecuación que tiene en cuenta este efecto (tomada de

Kim, J. 2001):

fEE /120 )1(1 −=− (11)

donde E20 es la eficiencia a 20°C. El exponente f resultó ser una función

dependiente de factores tales como la difusividad del gas, viscosidad del agua,

tensión superficial del agua y otros parámetros más. Cuando se aplica esta

ecuación para cambios de temperatura en un solo compuesto como el oxígeno cada

uno de los anteriores parámetros se vuelve función de la temperatura

exclusivamente simplificando la ecuación de f a la forma f = 1.0 + 0.02103 * (T-20) +

8.261 * 10-5 (T-20)2 donde T es la temperatura del agua.




6.1 Aireación en Estructuras Hidráulicas

Aunque no existen en la actualidad gran cantidad de estudios acerca de la

capacidad de aireación en estructuras hidráulicas dentro de alcantarillados y aun




los procesos de difusión en la interfase agua-aire del oxígeno. Su efecto se incluye

mediante el uso de parámetros adimensionales como se vio antes.

Profundidad aguas abajo: Este parámetro está directamente relacionado con el

concepto de tiempo de residencia de las burbujas de aire que entran en el cuerpo

de agua. Dependiendo de que tan alto cae el agua y del caudal las burbujas

penetrarán una cierta profundidad y serán arrastradas una cierta distancia

incrementando la eficiencia en la aireación.

Altura de la caída: Este parámetro tiene relación directa con la profundidad aguas

abajo que permitirá mayor tiempo de residencia, su valor se define a partir de

consideraciones como que tan suave será la napa y a que valores hacen que se

“destruya” esta y no permita una buena aireación.

Caudal: Este parámetro ha tomado importancia a partir de estudios realizados por

Apted y Novak en 1973 y Avery y Novak en 1978 en los que se concluyó que a

menor caudal la eficiencia de aireación de la estructura aumentaba

considerablemente hasta un punto en el que se presenta destrucción de la napa

debido a caudales muy pequeños en donde se pierde totalmente la eficiencia.

Algunos investigadores han probado varias de las ecuaciones para determinar la

tasa de aireación en estructuras hidráulicas propuestas hasta la fecha por autores a

través de los años con el objeto de verificar su validez. Tal es el caso del estudio




presentado por Gulliver en 1998 en el cual se probó la generalidad de varias

ecuaciones para determinar la tasa de aireación propuesta para varias estructuras

mediante mediciones hechas en laboratorio por el autor. El resultado arrojó

discrepancias en once de las quince ecuaciones estudiadas lo que genera dudas

frente al real conocimiento que se tiene de la capacidad de aireación de las

estructuras hidráulicas y que debe traduce en una necesidad de estudiar este

fenómeno con más detenimiento mediante la recopilación de mayor cantidad de

datos en campo que soporten las ecuaciones propuestas (Gulliver, J. S. 1998).

A continuación se presentan dos grupos generales de estructuras hidráulicas que

pueden ser instaladas dentro de los sistemas de alcantarillado con el fin de airear el

flujo; estos son los vertederos de cresta delgada y las caídas libres. Se escogieron

estos dos tipos de estructuras debido a la efectividad que han demostrado tener las

ecuaciones para predecir la tasa de aireación en ellas así como la utilidad que ya

algunas estructuras de estos dos grupos generales han encontrado en los sistemas

de alcantarillado actualmente.

La segunda parte presenta la aireación en tuberías que fluyen por efecto de la

gravedad parcialmente llenas. El estudio de esta tasa de aireación es de mucha

importancia debido a que no siempre se pueden instalar estructuras hidráulicas que

aireen el flujo lo que lleva a la necesidad de poder predecir este fenómeno y así

diseñar tramos de tubería que logren los niveles de aireación adecuados evitando

condiciones sépticas.




6.1.1 Aireación en Vertederos de Cresta Delgada

En la literatura se encuentran varios estudios de aireación utilizando presas de

cresta delgada debido al amplio uso que se les ha dado en corrientes naturales y

canales en los cuales se han logrado medir tasas de aireación iguales y más altas

que aquellas que logra el mismo cauce natural en varios kilómetros por si solo.

Debido al estado de avance en que se encuentran los estudios de este tipo de

estructuras para airear flujos y debido a su alta adaptabilidad dentro de

alcantarillados surge la necesidad de tomar esos estudios y emplear sus resultados

para ser aplicados como posibles sistemas de aireación.

Los estudios conducidos en laboratorio para los vertederos de cresta delgada

concluyen que la mayoría de los parámetros que afectan la aireación para las

estructuras hidráulicas en general no tienen tal efecto sobre este tipo de estructuras.

Los únicos parámetros que realmente generan un impacto significativo son en su

orden de importancia la altura de caída y después casi en una misma proporción la

profundidad aguas abajo y el caudal aunque considerablemente menos importantes

que el primero (Baylar, A. 2000).

Las ecuaciones de eficiencia de aireación para este tipo de estructuras no han

cambio en varios años desde que fueron propuestas por Avery y Novak en 1978.

Las únicas variaciones relevantes han incluido algunos parámetros que

posteriormente fueron identificados por tener una influencia significativa. La




ecuación de eficiencia de transferencia de oxígeno para temperatura a 20°C tal

como la formularon estos autores se presenta a continuación:

115.1

53.078.1420 10*24.0111 ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡

+−=

− RFE

r

(12)

Esta ecuación tiene el gran problema que no incluye la profundidad aguas abajo.

En los estudios realizados con posterioridad se identificó como parámetro relevante

este factor, lo que llevó a una reformulación de la ecuación que finalmente fue

formulada como se le conoce actualmente:

115.1

63.008.2520

37.0exp6.0110*32.01

11⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−−+

−=−

hHRF

E

r

(13)

donde Fr es el número de Froude en la napa expresado como (8gh3/q2)1/4, R es el

número de Reynolds en la napa expresado como q/υ, H es la profundidad aguas

abajo, h la pérdida de cabeza a través de la estructura, q el caudal por unidad de

ancho y υ la viscosidad cinemática (todas las unidades en sistema internacional de

medidas).

Una gran ventaja de la primera ecuación (ecuación 12) es que ha sido estudiada por

otros autores en diferentes tipos de estructuras y bajo condiciones diferentes para




probar su generalidad arrojando buenos resultados. Los estudios realizados por

Gulliver probaron que los resultados obtenidos a partir de esta ecuación presentan

un error estándar de más o menos 0.17 al obtenerse la eficiencia de transferencia

de oxígeno frente a los resultados obtenidos por mediciones hechas por el autor en

el laboratorio, lo cual la hace utilizable con un cierto grado de confianza para otras

condiciones (Gulliver, J. S. 1998).

Un resultado interesante de los hallazgos en los estudios conducidos por Baylar

incluyeron el estudio de varios vertederos con diversas secciones transversales.

Este parámetro aun no aparece directamente en las ecuaciones de eficiencia pero

ha resultado de relevancia para ella porque finalmente es la sección transversal la

que define la forma de la napa, que a su vez influye en la eficiencia de la tasa de

aireación de la estructura. Una comparación entre secciones de tipo triangular,

cuadrada, semicircular y trapezoidal variando alturas de caída y caudales muestran

una eficiencia algunas veces mayor entre la sección triangular y la sección cuadrada

que es la que presenta la menor eficiencia de las cuatro en todos los casos

probados (Baylar, A. 2000).

En la figura 5 se pueden observar las cuatro diferentes configuraciones empleadas

en el experimento de Baylar que tuvieron en común las siguientes medidas: L =

60cm, b = 20cm (para la figura trapezoidal b = 15cm y b´ = 20 cm), s = 10cm y W =

40cm.




El estudio conducido por Baylar, así como la mayoría de los estudios que existen en

cuanto al uso de presas de cresta delgada como medio para airear el flujo

obtuvieron sus resultados en condiciones abiertas caso contrario a la condición que

se presenta en los alcantarillados en donde no hay un contacto directo con la

superficie. Se cree que no debería haber un cambio significativo entre los

resultados debido al hecho que solamente habría una diferencia entre la cantidad de

oxígeno que hay en el ambiente y la cantidad de oxígeno que se puede encontrar en

la atmósfera del alcantarillado y como este no ha sido un patrón influyente es de

esperar que los factores y ecuaciones encontradas no varíen de un caso a otro.

Figura 5. Sección transversal y cortes de las diferentes secciones estudiadas por Baylar en su experimento para determinar la tasa de aireación en presas de cresta

delgada (Baylar, A. 2000)




Uno de los factores que se consideran fundamentales en cuanto al uso de los

resultados obtenidos en canales abiertos frente a las condiciones cerradas del

alcantarillado son las diferencias en tamaño, comparando al menos los diámetros de

las tuberías de alcantarillado y las medidas que se emplean en vertederos de cresta

delgada en canales abiertos lo que limitaría su uso solamente a tuberías de

diámetros mayores en donde se pueda instalar una estructura de este tipo.

Finalmente no se sabe realmente cual puede ser el resultado de usar este tipo de

estructuras en alcantarillados combinados dentro de los cuales se arrastra gran

cantidad de material sólido grueso que quedaría atrapado en el vertedero formando

un gran tapón para los sedimentos. Algunas soluciones podrían incluir rejillas que

atrapen el material grueso aguas arriba de la estructura en puntos se acceso que

necesitarían un mantenimiento periódico para extraer ese material.

6.1.2 Aireación en Caídas Libres

Contrario al caso de los rebosaderos de cresta delgada la gran mayoría de las

ecuaciones de tipo empírico propuestas para hallar los niveles de aireación en

caídas libres se enfocan principalmente a hallar el déficit de aireación (SO). Tres de

las configuraciones más comunes que se pueden encontrar en alcantarillados

alrededor del mundo son las caídas verticales, las caídas con rampa de transición y

los backdrops. En las caídas verticales y las caídas con rampa generalmente la

altura de caída no es mayor al diámetro de la tubería, caso contrario al de los

backdrops.




Figura 6. Diversos tipos de caídas libres encontradas en los alcantarillados (Almeida, S. 1999)

La disposición de este tipo de estructuras dentro de los alcantarillados es

comúnmente en pozos de inspección en donde los operarios tienen mayor facilidad

de acceder a ellas, además debido a la misma disposición de los pozos las caídas

se presentan naturalmente en estos puntos. Por otra parte la distancia que recorre

la tubería entre pozo y pozo es adecuada para que exista una mezcla completa del

aire que entra en la estructura debido a la turbulencia generada allí. En muchos

casos sería deseable la construcción de este tipo de estructuras en cada pozo de

inspección para asegurar una aireación completa pero la mayoría de las veces no

es adecuado debido a aspectos económicos, aspectos constructivos y debido a que

las condiciones en estos tramos no es crítica para la generación de condiciones

sépticas.

Las ecuaciones para la determinación de S0 en las caídas libres presentan una

dependencia exclusivamente de la pérdida de cabeza de la línea de gradiente




tienen gran impacto en la variación de SO estos no se deberían considerar

parámetros determinantes (Sousa, C. 2002).

Figura 7. Disposición de las caídas libres dentro de los alcantarillados (Almeida, S. 1999)

Esta afirmación debería tomarse con cuidado pues resulta interesante que para el

resto de estructuras hidráulicas estos parámetros si han sido influyentes en cierto

grado y para estas estructuras no sea así. Tal vez por este hecho Sousa no

descarta totalmente estos parámetros e insiste en la necesidad de comprobarlo

mediante un mayor número de ensayos que demuestren lo contrario. Por otra parte

ningún autor hace referencia sobre la influencia de la temperatura del agua para los

resultados obtenidos pero sería deseable realizar la corrección pues se ha

encontrado que este parámetro tiene cierta influencia sobre la eficiencia de

transferencia en las demás estructuras hidráulicas.

Un estudio interesante desarrollado por Almeida compara mediciones hechas en

alcantarillados reales frente a los valores de aireación obtenidos por cada una de las

ecuaciones presentadas en la tabla 4. El estudio se enfoca en regresiones hechas




sobre los datos para comparar los coeficientes (conocidos como coeficientes de

aireación KH (1/m)) que acompañan al término H en cada una de las ecuaciones.

Sus resultados muestran que la ecuación propuesta por Thistlethwayte está por

debajo del valor encontrado por sus regresiones lineares que arrojaron valores más

cercanos a 0.3 m-1; por otra parte las regresiones exponenciales arrojaron valores

de 0.25 m-1 contrario a los valores de 0.41 m-1 presentados por Pomeroy y Lofy

generando una sobre valoración de SO en estas ecuaciones (Almeida, M. C. 1999).

Es difícil generar un dictamen final sobre uno u otro resultado debido a que cada

una de las ecuaciones fue obtenida bajo condiciones diferentes pero abre el camino




de contacto entre el aire y el agua, pero que sucede en tramos fluyendo

parcialmente llenos pues estos también aportan en cierto grado a la aireación.

Aunque sería deseable construir tantas estructuras de aireación como se pudiera

para lograr una aireación completa del fluido esto no es posible por lo que también

es deseable conocer cuales son las tasa de aireación del flujo en tramos que no

tienen ningún tipo de estructura. Los estudios en este campo son aun mucho

menores que los hechos en estructuras pero son casi iguales de importantes pues

existen muchos tramos largos en los sistemas donde se produce también

transferencia de oxígeno al agua que aporta en el proceso total de aireación.

A continuación se presentan dos ecuaciones encontradas específicamente para

alcantarillados y una tercera propuesta para alcantarillados pero obtenida de

estudios hechos en canales pequeños con condiciones físicas similares a aquellas

del alcantarillado (es decir anchos y profundidad no mayor a 13 cm y pendientes de

1 en 270).

Desarrollada por Valor de F (mgO2 l-1 h-1)

Pomeroy 0.96(1+(0.17 u2)/9.81dm)1.07(T-20)

(s1u)3/8dm-1(SOS- SO)

Meyer y Thistlethwayte 60*0.121β(s2u)0.408dm-1(SOS- SO)

Owens 0.22βu0.67dm-1.851.024(T-20) (SOS- SO)

Tabla 5. Ecuaciones para determinar la tasa de aireación en alcantarillados parcialmente llenos (Pomeroy, R.D. 1992)

donde u es la velocidad media de flujo (m/s), dm es la profundidad media de flujo (m)

(volumen unitario dividido su área superficial), s1 es la pendiente de la línea de




energía del agua residual (m/100m), s2 es la pendiente de la línea de energía del

agua residual (m/m), T es la temperatura del agua residual (°C), SOS es la

concentración de saturación del oxígeno disuelto en agua (mg/L), SO es la

concentración del oxígeno disuelto en la fase acuosa (mg/L) y β es el coeficiente

que tiene en cuenta las diferencias entre agua limpia y agua residual (se

recomienda que este valor sea de 0.5 (Pomeroy, R.D. 1992).

El primer hecho destacable es que ninguna de las tres ecuaciones propuestas

contiene todas las variables, así por ejemplo la ecuación de Mayer como la de

Owens tienen en cuenta la diferencia que existe entre agua residual y agua potable

por medio del factor β que reduce el valor obtenido de aireación comparado con el

obtenido en la ecuación de Pomeroy. La ecuación propuesta por Mayer no incluye

el factor que corrige por temperatura y finalmente la ecuación de Owens no incluye

la pendiente como uno de los factores que afectan la aireación.

Podría pensarse como una primera aproximación para hallar un valor para el

coeficiente de aireación el tomar el valor promedio de los valores obtenidos para

cada una de las ecuaciones. Aun no se sabe la efectividad de tomar el promedio

como un valor válido, alguna de las ecuaciones podría tener mayor importancia

frente a otra afectando este resultado pero hasta ahora parece ser la aproximación

más aceptable al problema.




Como un ejercicio se pueden asignar diferentes valores a las diferentes variables en

las tres ecuaciones presentadas antes para ver en que forma varía la tasa de

aireación en cada una de ellas y ver precisamente cual puede ser la más apropiada.

Para realizar el ejercicio se debe calcular el área que ocupa el agua

transversalmente en una tubería parcialmente llena teniendo una profundidad de

flujo dada que se obtiene de la siguiente ecuación:

2)(81

OdsenA θθ −= (14)

donde el valor de θ se obtiene a partir de la geometría de la sección transversal y dO

es el diámetro de la tubería. Se toma para todos los casos la temperatura del

alcantarillado a 15°C, el valor de la solubilidad del oxígeno en el agua en equilibrio

como 10.04mg L-1 y la concentración de oxígeno disuelto en el agua como el diez

por ciento de la solubilidad frente a la condición de equilibrio. Estos valores se

dejan constantes pues variaciones en ellos no representan cambios considerables

en los resultados finales, por otra parte son parámetros que no pueden ser

cambiados en etapas de diseño o operación como si se puede hacer con los demás

factores.

A continuación se presentan los resultados obtenidos para las diferentes ecuaciones

en la tabla 5, variando parámetros representativos de flujo y características físicas

del alcantarillado tales como la velocidad media de flujo (caudal), la pendiente y la

profundidad de flujo:




Tasa de aireación (mgO2 L-1 h-1) Diámetro (m) Y/D Pendiente (m/100m) Velocidad (m/s) POMEROY MAYER OWENS

0,25 0,25 0,4 0,75 53 19 73 0,25 0,25 0,4 1 64 21 89 0,25 0,25 0,4 1,25 77 24 103 0,25 0,5 0,4 0,75 44 16 53 0,25 0,5 0,4 1 53 18 65 0,25 0,5 0,4 1,25 62 20 75 0,25 0,5 1 0,75 62 23 53 0,25 0,5 1 1 74 26 65 0,25 0,5 1 1,25 87 29 75 0,25 0,75 0,4 0,75 26 10 22 0,25 0,75 0,4 1 31 11 27 0,25 0,75 0,4 1,25 35 12 31 0,5 0,75 0,4 0,75 13 5 6 0,5 0,75 0,4 1 15 6 7 0,5 0,75 0,4 1,25 16 6 9 0,5 0,75 1 0,75 18 7 6 0,5 0,75 1 1 21 8 7 0,5 0,75 1 1,25 23 9 9

Tabla 6. Resultados obtenidos para la tasa de aireación a partir de las ecuaciones de Pomeroy, Mayer y Owens para tuberías con

flujo parcialmente lleno

De los cálculos obtenidos se puede observar claramente que como primera medida

si se presenta un aumento en la velocidad media de flujo, es decir un aumento en el

caudal para todas las ecuaciones siempre se obtienen mayores tasas de aireación;

en segundo lugar un aumento de la profundidad de flujo se traduce en una

disminución de la tasa de aireación. Un resultado interesante y en cierto grado no

esperado del ejercicio muestra como un aumento del diámetro de la tubería reduce

la tasa de aireación mientras que como si es de esperar un aumento de la pendiente

aumenta esta tasa.




De las tres ecuaciones siempre la propuesta por Pomeroy presenta la mayor tasa de

aireación mientras que la propuesta por Owens arroja el menor valor; si el promedio

no es un valor convincente podría tomarse como valor de aireación el obtenido por

la ecuación de Mayer que arroja valores medios o siendo conservativos siempre

tomar el resultado menor de las ecuaciones que es el de la ecuación propuesta por

Owens.

Pomeroy compara los valores obtenidos para la tasa de aireación de cada una de

las ecuaciones frente a valores promedio de consumo de oxígeno en un

alcantarillado normal por parte de las bacterias para verificar bajo que condiciones

este presentará una condición anaeróbica, situación que se presentará cuando la

tasa de aireación sea menor a la tasa de consumo de las bacterias. Algunos

estudios sugieren un consumo de oxígeno por parte de las bacterias presentes en la

fase acuosa de alrededor de 6 mgO2 L-1 h-1 que se mantiene más o menos

constante, por otra parte para encontrar la demanda de oxígeno por parte de las

bacterias en las biopelículas se han encontrado tasas que varían por metro

cuadrado de superficie de biopelícula. Este último valor está por supuesto en

función del diámetro de la tubería y de la profundidad de flujo que definen el

perímetro mojado que es donde se ubican estas bacterias, según Pomeroy esta

tasa es de alrededor de 700 mgO2 m-2 (Pomeroy, R.D. 1992).

Con estos datos Pomeroy obtiene tasas de consumo de oxígeno en la biopelícula de

11 mgO2 L-1 h-1 para tuberías con diámetros de 0.25 m hasta de 1.5 mgO2 L-1 h-1




para tuberías de 0.5 m de diámetro; el consumo total de oxígeno en una sección de

tubería de diámetro igual a 0.25 m será de 17 mgO2L-1 h-1 mientras que en tuberías

de 1 m de diámetro el consumo será de 9 mgO2 L-1 h-1. Observando en la tabla 6

para los diámetros propuestos la tasa de aireación frente al consumo propuesto por

Pomeroy es menor en sistemas en los cuales los diámetros son mayores combinado

con pendientes bajas. Este resultado es de gran importancia pues muestra como

se deberían diseñar los sistemas, en una forma aproximada, para evitar la formación

de condiciones anaeróbicas.

Existen otros elementos que surgen a partir del empleo de estas ecuaciones uno

interesante es la tasa de aireación que se obtiene cuando se reemplazan las

ecuaciones para condiciones de flujo lleno, es decir y/D = 1. Debe tenerse cuidado

con este resultado debido a que aunque la ecuación proporciona un valor este no se

da en la realidad pues se necesita que exista una atmósfera que provea el oxigeno

a la fase líquida condición que no se da cuando la tubería funciona a flujo lleno.

Por último este ejercicio muestra como nuevos parámetros deberían ser incluidos

dentro del diseño de alcantarillados; ya no solamente se incluyen criterios como la

auto limpieza sino otros criterios como el garantizar condiciones aeróbicas de

funcionamiento que claramente se puede lograr con una comparación simple de

condiciones de flujo. Esta es por supuesto una primera aproximación a esta nueva

metodología de diseño que debe ser respalda por estudios más completos




encaminados a determinar de una manera más precisa la tasa de transferencia del

oxígeno en tuberías operando bajo flujo parcialmente lleno.

7. AIREACIÓN EN SECCIONES QUE TRABAJAN A PRESIÓN (FLUJO

LLENO)

Aunque para este trabajo solo se hace mención a métodos hidráulicos para airear el

flujo dentro de los alcantarillados es importante mencionar brevemente como se

pueden evitar condiciones de septicidad en tramos que no tienen la posibilidad de

airearse mediante este mecanismo. Ya que estos tramos son los que presentan

mayores problemas al alcanzar condiciones anaeróbicas más rápidamente y a su

vez condicionan las características de funcionamiento de tramos aguas abajo es

importante conocer brevemente como se forma el sulfuro en el tramo y la manera de

evitarlo.

Las condiciones de aireación en secciones de tuberías que trabajan a presión son

diferentes a aquellas que fluyen parcialmente llenas debido al hecho que las

primeras no tienen la fase denominada atmósfera que es la fase de donde se

obtiene el oxígeno para generar la aireación. Por esta condición estas secciones

son las que presentan un mayor potencial para desarrollar condiciones aeróbicas

por lo cual es interesante conocer hasta que punto estas secciones trabajan bajo

condiciones anaeróbicas y como se pueden solucionar estos problemas.




En este tipo de secciones en tramos muy cortos se alcanzan las condiciones

anaeróbicas luego de su presurización. El método más empleado para prevenir la

condición anaeróbica es la inyección de oxígeno o en su defecto aire. El problema

principal que presenta el aire es la cantidad que puede ser disuelta; esta es limitada

debido a la concentración de saturación bajo las condiciones de temperatura y

presión dominantes en estos tramos. Este problema se soluciona cambiando el aire

por oxígeno comercial para el cual aumenta la concentración de saturación en el

agua.

Para poder lograr predecir en que forma la concentración de sulfuro aumenta por

tramos que trabajan a presión Pomeroy en 1959 postuló la primera ecuación que

relacionaba ese aumento con la DBO así como con el tiempo de retención dentro

del tramo estudiado y su longitud. Posteriormente Boon tras realizar un gran

número de mediciones en varios alcantarillados concluyó que se obtienen mejores

relaciones entre los datos medidos y los estimados si se utiliza la ecuación

propuesta por Pomeroy pero reemplazando la DBO por la DQO proponiendo la

siguiente ecuación, que ha mostrado ser de gran utilidad para predecir la formación

de sulfuros y que por supuesto puede ser utilizada en diseño de alcantarillados

(Boon, A.G. 1975):

( ) )20(07.1004.01 −⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ +

= TCODCs d

dtLKC (15)




donde Cs es la concentración de sulfuro (mg L-1), Kc es un fator que Boon en sus

estudios identificó como 0.00152, t es el tiempo de residencia en la sección (min),

LCOD es la DQO promedio del agua residual en la sección, d es el diámetro de la

tubería (cm) y T la temperatura del agua residual (°C).

En el caso del oxígeno para calcular la concentración de oxígeno disuelto CO que

puede ser adicionada al agua en mg L-1 en un tramo a presión se puede emplear la

ecuación propuesta por Boon y Lister en 1975 que probó ser de gran utilidad por su

generalidad (Boon, A.G. 1995):

)20(2

07.14

8.2 −⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ += T

hO Q

ldd

RC π (16)

donde R es la tasa de respiración (es decir la demanda de oxígeno por parte de las

bacterias) (mg L-1 h-1), d es el diámetro de la tubería (m), l es el largo del tramo (m),

Qh es el caudal horario promedio (m3 h-1) y T es la temperatura del alcantarillado

(°C).

En las estaciones de bombeo que es donde generalmente se instalan este tipo de

sistemas para adición de oxígeno se requiere instalar como elementos mínimos los

tanques de almacenamiento del oxígeno, ventiladores que aseguren una buena

ventilación de la cámara de bombeo en caso de escapes de oxígeno de los tanques

y una serie de válvulas y controles para asegurar la adición de oxígeno solo bajo

condiciones de operación del sistema. Esta instalación generalmente no es




costosa, ya que solamente funciona en los tramos que trabajan a presión,

comparada con la gran ventaja que se están garantizando condiciones aeróbicas en

todo momento para estos tramos. Experimentos realizados con montajes de

sistemas de aireación en tramos con estas características conducidos por Boon en

1975 demostraron que la tasa de consumo de oxígeno varía con la DBO del agua

residual así como el área específica superficial (Boon, A.G. 1975).

8. OTROS METODOS DE AIREACIÓN (NUEVAS TECNOLOGÍAS)

Antes se mostró la utilización de los sistemas de aireación mediante estructuras

hidráulicas así como aireación mediante medios mecánicos, más precisamente

mediante inyección de oxígeno. Aunque estos no son los únicos medios si han

demostrado ser los más económicos hasta el momento, pero resulta adecuado

mencionar otras metodologías que se están desarrollando y que también emplean el

uso de adición de elementos oxidantes al agua residual.

El interés hacia la adición de estos elementos para favorecer las condiciones

aeróbicas está creciendo a nivel mundial lo que se ha traducido en nuevas

propuestas frente a las que ya se pueden considerarse más tradicionales. A

continuación se presenta una nueva alternativa que aunque aun se encuentra en su

fase inicial de experimentación aumenta el espectro de las posibilidades de

sistemas de aireación en los alcantarillados.




El sistema es denominado el método DRAUSY presentado en el año 2002 en un

congreso internacional realizado en Australia. El sistema se basa principalmente en

la ineficiencia que presentan la mayoría de sistemas que emplean la adición de

agentes oxidantes en puntos específicos del sistema en los cuales no existe una

completa dilución del agente a lo largo de la tubería. La solución alterna permite

una adición mejor distribuida de los agentes oxidantes evitando problemas de

dilución y garantizando una distribución pareja.

El sistema consiste de una manguera hecha de un material resistente a los efectos

corrosivos de los alcantarillados, principalmente poliuretanos de diámetro interno

que pueden variar entre 12 a 18 mm, y que se extiende dentro de la tubería en los

sectores donde se han detectado problemas de septicidad graves. Esta se amarra

solamente en los puntos inicial y final (recomendablemente puntos de acceso). La

manguera esta perforada a lo largo de su extensión con huecos que varían entre

0.05 y 0.40 mm de diámetro que de igual forma pueden variar de acuerdo a la

presión empleada para transportar y adicionar el agente oxidante; así un incremento

en la presión disminuirá la abertura de los huecos y sucederá lo contrario con un

decrecimiento en la presión.

Para el empleo de elementos gaseosos, principalmente oxígeno, se pueden llegar a

implementar tramos que sirvan hasta un kilómetro y que en los puntos de entrega

logren entre 50 a 70 cm3 min-1 por apertura de adición del elemento, este valor varía




según la presión a la que funcione la manguera, rango que se encuentra entre los

0.5 a 5 bares de presión (Tjandraatmadja, G.F. 2002).

Una gran ventaja que presenta está nueva metodología es la flexibilidad de usos

que puede tener pues se puede utilizar para agregar elementos oxidantes tanto

gaseosos como el oxígeno o elementos disueltos en agua como cloruros o peróxido

de hidrógeno. Las metodologías que emplean elementos químicos se hacen más

económicas debido a que se garantiza una adecuada conservación en cada punto

de alcantarillado evitándose así el tener que recurrir a altas concentraciones poco

económicas necesarias en las metodologías anteriores de adición en un solo punto

de la tubería.

9. FACTORES QUE TIENEN MAYOR IMPACTO EN LA AIREACIÓN DEL

AGUA RESIDUAL

Como se vio el favorecer condiciones aerobias dentro del alcantarillado mediante la

adición de oxígeno por medio de estructuras hidráulicas como una manera

económica para lograrlo presenta grandes ventajas entre las que se destaca la

prevención de condiciones de septicidad. Esta condición se traduce en la presencia

de olores molestos provenientes de los sistemas, así como generación de

compuestos altamente tóxicos en altas concentraciones y dañinos para el sistema al

corroer las tuberías.




Los adelantos en el conocimiento de los procesos que ocurren en el alcantarillado

están permitiendo un acercamiento cada vez mejor al entendimiento de nuevas

metodologías de diseño que deben incluir nuevos parámetros algunos de los cuales

no se incluyen hasta la fecha. Con ese fin es importante mostrar a manera

ilustrativa de resumen final cuales de esos parámetros son relevantes bajo esta

nueva visión.

Factor Proceso que afecta Régimen de flujo y grado de turbulencia (pendiente, diámetros, uniformidad de la tubería)

Intercambio de elementos a través de la interfase agua-aire; principalmente oxígeno y algunos compuestos volátiles

Ventilación Liberación de compuestos olorosos, adición de oxígeno a la atmósfera del alcantarillado

Capacidad del sistema (tiempos de residencia)

Mayor tiempo para que se den los procesos dentro del sistema

Relación profundidad-diámetro de la tubería

Niveles de aireación elevados, así como favorecer procesos en el agua y la biopelícula

Velocidad de flujo (esfuerzo cortante) Favorece el crecimiento de biopelículas que afectan el proceso de degradación de la materia

Adición de oxígeno (puntos de inyección

o estructuras para tal fin)

Favorece condiciones aeróbias

Tabla 7. Factores que afectan directamente los procesos aeróbicos en el alcantarillado (Hvitved-Jacobsen, T. 2002)

Con esta tabla también se pretende mostrar de una manera general qué factores

deberían entrar a formar parte de las nuevas metodologías de diseño, y aunque es

cierto que muchos de los impactos reales que tiene cada uno aun no han sido

estudiado en detalle, muestra el camino hacia una nueva visión de la ingeniería del

diseño de alcantarillados que debería irse implantando con el fin de obtener una




integración más apropiada entre el sistema y la planta de tratamiento generando

altos beneficios a la comunidad traducido en menores costos de operación de esta,

así como alcantarillados más “limpios”.

10. MODELACIÓN DE PROCESOS AERÓBICOS

Las transformaciones del agua residual en los sistemas de alcantarillado se

relacionan con los procesos que tienen lugar en la fase acuosa, las biopelículas y

los sedimentos. Estas transformaciones de tipo biológico cambian la calidad del

agua residual y son importantes porque dan cuenta de los problemas de septicidad

antes expuestos dentro de los sistemas de alcantarillado. Si se quiere responder la

pregunta de si en algún tramo se presentará formación de ácido sulfhídrico primero

de debe determinar si las condiciones son anaeróbicas. Para hacer esto se debe

conocer el balance completo de masa para el oxígeno (tasas de aireación y

consumo); la tasa de aireación se puede conocer si se conoce la configuración del

sistema (condiciones de flujo, disposición de elementos, temperatura), el consumo

se puede conocer si se conocen elementos como calidad del agua residual.

Este orden lógico de preguntas y respuestas presenta la verdadera necesidad que

se tiene de poder aplicar y entender la modelación de los procesos que tienen lugar

dentro de los alcantarillados. Debido a la importancia que tienen los modelos de

estos procesos se hace necesario hacer una breve mención sobre el tema




enfatizando que se trata solo de una visión superficial pero que complementa este

trabajo de una forma adecuada.

Aunque el modelo al que se hace referencia a continuación solamente presenta la

parte aeróbica del proceso es suficiente debido al hecho que se está suponiendo

que en todo momento se presentan condiciones aeróbicas y por lo tanto no sería

necesario modelar condiciones anaeróbicas o anóxicas; si se quisiera una mejor

aproximación a la realidad deberían aplicarse modelos que integran los tres

procesos que muestren la interacción que se produce entre ellos dentro del

alcantarillado.

Los tres elementos fundamentales para que se produzca la degradación de la

materia orgánica fácilmente biodegradable son primero la presencia de biomasa

heterotrófica, segundo la presencia del elemento donador de electrones y por último

el receptor de estos siendo el oxígeno el elemento deseable y que identifica las

reacciones de tipo aerobio; este es el elemento crucial pues es él quien limita la

reacción y es por esto que mecanismos como la aireación son de vital importancia

cuando se estudian las características de cambio de la calidad del agua bajo

condiciones aeróbicas.

Uno de los elementos claves según Hvitved-Jacobsen para la modelación de los

procesos aeróbicos en las tuberías es el considerar conceptos simplistas para las

transformaciones microbianas que luego puedan ser enriquecidas cuando se tenga




un mejor entendimiento de estos procesos, por otra parte se intenta pasar de la

visión tradicional de modelar mediante parámetros como el DBO y el DQO a darle la

relevancia necesaria a elementos como la producción de biomasa como el factor

activo, que a su vez depende de otros factores como la disponibilidad de sustrato y

la presencia del receptor de electrones.

Los primeros modelos que intentaron los primeros acercamientos a la realidad

incluían elementos como tales como macro-procesos (crecimiento de la biomasa), la

hidrólisis de las partículas y la descomposición de la biomasa; por otra parte se

incluyeron los procesos que se llevan a cabo en la biopelícula y en el sedimento

como flujos simples a la fase acuosa. Posteriormente el modelo fue mejorado al

reducirse el concepto central a la transformación del agua residual que incluye todos

los elementos que se mencionaron e incluye otros parámetros que resultaron ser

relevantes para describir el proceso.

Algunos de estos parámetros expresan procesos tales como el de hidrólisis en el

cual las cadenas orgánicas más largas son reducidas a cadenas más pequeñas

para poder ser procesadas por las bacterias; otro de estos parámetros resultó del

entendimiento de la actividad bacteriana y que consiste en parte de la remoción de

sustrato sin presentarse un crecimiento de la biomasa, hecho que hasta el momento

no era comprendido, debido al consumo de energía requerido para el crecimiento

de la biomasa heterotrófica, propuesto en principio por Hvitved-Jacobsen y

Vollertsen (en los procesos en alcantarillados este proceso es mucho más relevante




que por ejemplo el proceso de descomposición de la biomasa y por lo tanto este

último ha sido omitido de los modelos más recientes).

El modelo se puede ver claramente en la siguiente figura esquemática:

Figura 8. Modelo esquemático del proceso aeróbico que se lleva a cabo en

el agua residual dentro de los alcantarillados (Hvitved-Jacobsen, T. 2002)

Debido a que los procesos que ocurren dentro de los alcantarillados son muy

complejos y aun no se tiene un entendimiento pleno de ellos el modelo presenta

algunas restricciones y suposiciones, por ejemplo los procesos que ocurren en el

sedimento no son modelados directamente sino que se toman en cuenta como una

biopelícula en la superficie de los sedimentos; por otra parte aun no se ha logrado

obtener una modelación adecuada de los procesos que ocurren en la biopelícula lo

que se soluciona generando un modelo de flujo superficial simplificado.

Aireación

Oxígeno Disuelto

Sustrato listo para ser biodegradado

Biomasa Heterotrófica

CO2 CO2

Crecimiento de la Biomasa

Sustrato rápidamente hidrolizable

Sustrato lentamente hidrolizable

Hidrólisis




consumo de OD en la biopelícula. El término rw es dependiente de la temperatura

del agua según Matos y Sousa y el término rf depende de las características físicas

del alcantarillado según Parkhurst y Pomeroy:

Rsur Sof15.0)(3.5 −−

= (16)

donde s es la pendiente, u es la velocidad media de flujo y R el radio hidráulico.

Aunque esta ecuación es interesante debido a la relación encontrada entre las

características físicas de la tubería y el consumo de OD por parte de la biopelícula

no es recomendable su uso directo pues las características para cada alcantarillado

son únicas. Otro hecho importante encontrado por Matos y Sousa al reemplazar

valores en la ecuación es que la relación profundidad diámetro al hacerse más

pequeña genera condiciones de equilibrio de concentración de OD más rápidamente

(en tramos más cortos) que cuando la relación de y/D es aproximadamente de 0.5.

Estas primeras aproximaciones para la modelación de procesos en los

alcantarillados complementan las teorías iniciales propuestas y sirven como

elemento aglutinante para estas generando una visión más global de los elementos

que intervienen en el proceso aeróbico y sirven como el paso inicial para generar

una nueva visión más completa hacia el diseño adecuado de alcantarillados.




11. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES

• El aprovechar los sistemas de alcantarillado como reactores para degradar gran

parte de la materia orgánica mediante procesos aeróbicos presenta varias

ventajas entre las que se destaca una reducción de costos significativo en las

plantas de tratamiento tanto en operación como en tamaño.

• Las condiciones que incrementan la probabilidad de presentarse condiciones de

septicidad en los sistemas de alcantarillado que funcionan por gravedad son de

manera general: bajas velocidades de flujo, grandes profundidades de flujo,

altas concentraciones de BOD, depósitos sedimentarios, altas temperaturas,

entre otros.

• El factor que favorece en un mayor grado la condición aeróbica en los

alcantarillados es el nivel de turbulencia pues este aumenta la superficie de

contacto para el intercambio de substancias entre el agua y la atmósfera.

• Existen varias formas para prevenir las condiciones de septicidad en un

alcantarillado varias de las cuales resultarían económicamente inviables en

países con recursos limitados, por el contrario la aireación por medios

hidráulicos se presenta como una solución económica y adoptable en un

período más corto.




• Entre los efectos negativos que generan los alcantarillados que operan bajo

condiciones de septicidad a las plantas de tratamiento se destacan dos: primero

el impacto en su operación al afectar los procesos de tratamiento mecánico

debido a la reducción de la velocidad de sedimentación de los sólidos

suspendidos, y segundo se afectan los procesos biológicos debido a la

capacidad del ácido sulfhídrico para inhibir los procesos de nitrificación.

• Se pueden diseñar sistemas de alcantarillado que funcionan por gravedad

asegurando condiciones aeróbicas de operación mediante un diseño óptimo de

sus elementos tales como la pendiente, profundidad de flujo y diámetro que

garanticen esta condición.

• Uno de los objetivos principales es poder determinar cual será la longevidad de

los sistemas que se encuentran bajo condiciones de septicidad, pero debido a la

complejidad de los elementos que intervienen en este proceso aun no se ha

logrado llegar a ecuaciones definitivas para tal fin; por el momento contamos con

elementos intuitivos basados en condiciones generales esperadas así como

ecuaciones aproximadas.

• Los rebosaderos de cresta delgada se presentan como estructuras que pueden

ser aprovechadas como puntos de aireación en el corto plazo en los sistemas de

alcantarillado debido al amplio conocimiento que se tiene de ellas trabajando en

canales abiertos; se necesita lograr una adaptabilidad de estas estructuras de




una manera adecuada en los espacios reducidos dentro de los sistemas para

implantar su uso.

• La aireación en caídas libres dentro de los sistemas de alcantarillado es

altamente eficiente si se emplean configuraciones tales como los denominados

backdrops en donde se presenta una alta turbulencia. Las ecuaciones para la

tasa de aireación propuestas hasta ahora para este tipo de estructuras necesitan

mayor estudio pues se ha encontrado que parámetros no incluidos hasta el

momento como la profundidad aguas abajo tienen una influencia importante.

• El conocer la tasa de aireación en tramos de tubería fluyendo parcialmente

llenas es sumamente importante pues define los criterios de diseño apropiados

para garantizar un comportamiento aerobio en todo momento previniendo

condiciones de septicidad. Las ecuaciones disponibles hoy en día sugieren

como las mejores condiciones sistemas con pendientes altas y de diámetros

menores.

• Las ecuaciones más aceptadas para hallar la tasa de aireación en tramos de

tubería fluyendo parcialmente llena aun no incluyen todos los parámetros que se

creen tienen una influencia representativa dentro del resultado lo que lleva a

tomar como valor final un criterio personal o afinidad hacia cierto tipo de

ecuaciones antes que un criterio basado en resultados experimentales

concluyentes.




• Debido a la especificidad y empirismo bajo el cual se han desarrollado la

mayoría de la ecuaciones de aireación en tuberías su uso aun no es general

requiriéndose estudios más profundos en esa área para lograr ecuaciones más

generales útiles para cualquier tipo de sistemas.

• El emplear mecanismos de aireación mecánicos tales como inyección de

oxígeno en tramos a presión es necesario e inevitable ya que estos tramos no

pueden ser aireados mediante mecanismos hidráulicos; el mantener condiciones

aerobias en ellos evitará condiciones de formación de sulfuros que pueden ser

potencialmente liberados a la atmósfera en tramos aguas abajo.

• Los factores más relevantes que afectan los procesos aeróbicos en los

alcantarillados y que deberían tener mayor preponderancia en las nuevas

teorías de diseño y operación de alcantarillados son: régimen de flujo

(pendientes, diámetros), relaciones profundidad-diámetro, tiempos de residencia

anaeróbica, velocidad de flujo, adición de oxígeno, temperatura, pH y por último

ventilación.

• A partir de las ecuaciones propuestas a la fecha para obtener la tasa de

aireación en tuberías parcialmente llenas se concluye que un aumento en la

velocidad de flujo aumenta esta tasa y por el contrario si se aumenta la

profundidad de flujo se presenta una disminución de esta.




• El lograr un diseño apropiado para un sistema de alcantarillado para el cual no

se puedan evitar las condiciones de formación de ácido sulfhídrico debería

balancear dos condiciones: primero baja turbulencia y segundo máxima tasa de

aireación posible.

• El empleo de materiales resistentes a la corrosión por parte del ácido sulfúrico

es costoso pero su uso en tramos específicos con ese problema es deseable

porque aumenta la longevidad del sistema y el costo total del sistema no será

incrementado en gran proporción.

• A la par de los adelantos en los estudios de adición de oxígeno mediante

estructuras hidráulicas se están generando nuevas tecnologías que se

presentan como alternativas relativamente poco costosas y de alta eficiencia y

que deben ser tenidas en cuenta dentro del gran espectro de alternativas para la

aireación dentro de los alcantarillados.

• Para obtener un completo entendimiento de la utilidad que lleva el airear el flujo

dentro de los sistemas de alcantarillado para prevenir condiciones de septicidad

es necesario complementar su implementación con teorías adecuadas de

integración de procesos tanto en las tuberías como en las plantas de tratamiento

así como una adecuada modelación de estos procesos.




12. REFERENCIAS

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