Estudios experimentales en muebles sanitarios de alto y bajo consumo

Gilberto Sotelo Avila

Dirección General de Construcción y Operación Hidráulica-Secretaría General de Obras-DDF

Se describen los trabajos de ingeniería básica realizados en laboratorio y campo por la Dirección General de Construcción y Operación Hidráulica del Departamento del Distrito Federal, para desarrollar una tecnología propia que sirva de apoyo a los programas de sustitución masiva de retretes en el Distrito Federal, y a la instalación futura de paquetes domiciliarios de bajo consumo. Se detallan también las investigaciones efectuadas para determinar las condiciones en que seda posible la fabricación ventajosa, con tecnología nacional, de muebles sanitarios de bajo consumo, los efectos que la reducción del consumo produce en el funcionamiento de albañales y atarjeas, su impacto social, la elaboración de nuevas normas mexicanas para su fabricación y el protocolo de pruebas para su aceptación o rechazo. Adicionalmente, se describen los estudios de factibilidad del programa de sustitución masiva de retretes, actualmente en ejecución.

Antecedentes Actualmente, el programa de sustitución de retretes continúa a un ritmo vertiginoso, pero para

El crecimiento incesante de los consumos de agua llegar a este momento, ha sido necesario utilizar en las grandes ciudades ha creado conciencia de tecnologías apropiadas, revisar las normas de que la solución del problema no depende sólo de fabricación y operación de excusados fabricados un mayor abasto, son indispensables también, un tanto en México como en otros países y llevar a uso más racional y eficiente del recurso, mediante cabo programas de experimentación en laboratorio una distribución mas adecuada del agua, un mejor y campo. control de fugas, una mayor calidad del agua, campañas permanentes para crear conciencia del Banco de pruebas de la DGCOH valor del líquido y la adecuación de las tarifas que se reflejen en un cobro mas real del agua suministrada y Una de las primeras acciones que contribuyó a promueva un menor desperdicio por parte del usuario evaluar la factibilidad de sustitución de muebles y un mayor empleo del agua residual tratada y de sanitarios, fue la construcción de un banco de lluvia. En este contexto, la Dirección General de pruebas en el laboratorio de ingeniería experimental Construcción y Operación Hidráulica (DGCOH) de la de la DGCOH, el cual estaba formado por una Secretaría General de Obras, diseñó el Programa de estructura metálica tubular para simular, en dos Uso Eficiente del Agua (PUEDA) para modificar los niveles, las condiciones de operación de inodoros y patrones actuales de consumo sin que se produzca albañales. deterioro en la calidad de vida del usuario o se frenen El banco de pruebas disponía de cinco nichos las actividades productivas. en cada nivel para la prueba de muebles sanitarios;

Una de las actividades más importantes del de un albañal de concreto con cambio de dirección programa, consiste en sustituir alrededor de 2 horizontal y pendiente del 1%; dos albañales rectos, millones de muebles sanitarios, que en promedio también de concreto, con pendientes de 3 y 5%; y utilizan 16 litros por descarga, por muebles de bajo dos más de alineamiento recto y pendiente variable consumo, los cuales utilizan un máximo de 6; con de 1 al 5%, construidos de acrílico. La conexión entre ello, se logrará un ahorro aproximado de 4.3 m3/s. mueble y albañal fue de fierro fundido, siguiendo

las especificaciones que marcan los reglamentos de construcción respectivos.

determinó que sólo con descargas mayores de la especificada por el fabricante se podían satisfacer las exigencias de la norma. El detalle de la metodología de las pruebas y el total de resultados experimentales se pueden consultar en los informes finales preparados para la DGCOH en 1986.

Una vez realizadas las pruebas para determinar los estándares de comportamiento, se observó que los muebles de bajo consumo funcionaban de la misma forma que los de mayor consumo. Ante esto, se propusieron parámetros de evaluación que permitieran desarrollar las bases de un mueble propio, de menor consumo, que satisfaciera los siguientes requerimientos:

El banco de pruebas tuvo los objetivos siguientes:

O Disponer de una instalación para experimentar muebles sanitarios y albañales en forma contro- lada y sin desperdicio de agua, al hacer factible su recirculación.

O Evaluar el funcionamiento hidráulico y la eficiencia de los muebles existentes mediante las pruebas y materiales que se sancionan en la norma oficial mexicana (NOM-C-328-1985), las de la National Standard of Canada (CAN-3-345 series MBI), así como las propias de la DGCOH.

O Analizar el funcionamiento de los albañales de una a) Tener capacidad de arrastre suficiente para instalación típica domiciliaria cuando operan con eliminar de la taza una cantidad de material por muebles sanitarios de 12 a 16 litros por descarga lo menos similar a la alcanzada por los muebles de y cuando lo hacen con 6, de manera que se mayor consumo; efectuara el transporte efectivo de los desechos b) Limpiar adecuadamente las paredes de la taza y el sin azolvamientos hasta la conexión exterior, al volumen ocupado por el sello hidráulico; alcantarillado de la calle. c) Cambiar completamente el volumen de agua en

O Realizar las pruebas que ordenara el Comité de la taza, a traves del sifón, por agua del tanque Evaluación de Muebles Sanitarios que se integró, después de cada descarga; con el propósito de vigilar el empleo de d) Llenar el tanque con rapidez, aun a bajas tecnologías adecuadas en el PUEDA. Así mismo, presiones. crear mecanismos de información para establecer e) Evitar el contacto del usuario con el producto encuestas, parámetros de selección y normas producido por salpicaduras de agua; para la fabricación de muebles y accesorios, y f) Evitar fugas y desperdicios, a través de una total la evaluación técnico-económica para establecer hermeticidad en el herraje; programas de instalación de retretes en zonas g) Asegurar, mediante un volumen adecuado del sello piloto. hidráulico, la inexistencia de malos olores en el

de muebles sanitarios. O Capacitar al personal en actividades de evaluación drenaje.

Para identificar, entre los disponibles, el mueble que cumpliera con los requerimientos antes señala- dos, se realizaron pruebas con volúmenes de des- carga menores a los especificados por el fabricante de acuerdo con las siguientes exigencias:

Evaluación de muebles sanitarios

La evaluación de muebles sanitarios se realizó uti- lizando nueve nacionales y dos extranjeros; los na- cionales con descarga de 7, 8, 10 y 15 litros y los extranjeros con una de 6. Las pruebas se efectua- ron de acuerdo con el protocolo que marca la norma oficial mexicana NOM-85, la que después se modi- ficó y se constituyó en la NOM-86, más rigurosa que la primera.

Las pruebas y los resultados experimentales mos- traron que sólo cuatro de los muebles funcionaban adecuadamente, según la norma NOM-85, los ex- tranjeros IFO y Gustavsberg, de 6 litros por descarga, y los nacionales Lamosa de 8 y el Aguila de 15. AI considerar la norma NOM-86, fueron aprobados nue- vamente los dos extranjeros y además el Orión Ca- pri de 10 litros y el Aguila de 15. En el resto se

Desalojar siete esponjas y seis bolas de papel; para la evaluación del requerimiento del inciso a.

O Desalojar 12 esponjas para la evaluación del requerimiento del inciso a. Arrastrar 20 gramos de aserrín para la evaluación del requerimiento del inciso b. Eliminar 25 mililitros de colorante (azul de metileno al 0.15% de concentración) para la evaluación del requerimiento del inciso c. Pruebas de velocidad de llenado del tanque a diferentes presiones, de manera que no superara los dos minutos de duración para la evaluación del requerimiento del inciso d.

O Prueba de caída de materiales de diferente peso censo, y se dio mantenimiento a los micromedidores. para determinar alturas de salpicamiento para la Se tomaron lecturas bimestrales de los consumos evaluación del requerimiento del inciso e. durante un año y después se cambiaron los

ser colocado en el tanque para la evaluación del En la comparación preliminar de los consumos requerimiento del inciso f. antes y después de la instalación del paquete, se Determinación del nivel estático del agua después observó una disminución del 30% en promedio, para de la descarga, para cubrir ampliamente la boca el mismo período estacional, lo que se reflejó en de entrada al sifón, para la evaluación del menor monto de la facturación a los usuarios que lo requerimiento del inciso g. aceptaron.

Las conclusiones y recomendaciones más impor- tantes de los estudios de muebles sanitarios en labo- En 20 pruebas por cada tipo de material, la ratorio y campo fueron: evaluación consistió en verificar que un mueble no

fallara más de dos veces en cada una de ellas. Con objeto de conocer la respuesta social de Los muebles sanitarios que consumen 6 litros

los usuarios al modificar los criterios de uso y por descarga realizan sus funciones con eficiencia consumo del agua y evaluar algunos aspectos similar y aun superior a los de mayor consumo. higiénicos de los inodoros, la DGCOH definió una La información de campo, donde se instalaron zona piloto en la delegación Benito Juárez, donde se muebles de bajo consumo, indicó que no hubo instalaron paquetes de bajo consumo en mercados, problemas higiénicos derivados de su uso. escuelas, edificios públicos y viviendas unifamiliares La norma NOM-86 sanciona en forma más exi- y multifamiliares, donde previamente se realizó un gente que en otros países la fabricación y fun-

cionamiento de muebles sanitarios de bajo con- sumo, pero las pruebas de laboratorio indicaron que los muebles nacionales podían satisfacerla plenamente siempre que se modificaran para fun- cionar de manera adecuada. Se recomendó el diseño de nuevos prototipos de 6 litros por descarga, que funcionaran en las modalidades de tipo cascada y vórtice.

O Se recomendó la verificación del funcionamiento de los herrajes existentes en el mercado, haciendo pruebas aceleradas, y en su caso, diseñar otros más seguros y confiables aunque fuera a un mayor costo, el cual resulta de importancia secundaria si se compara con el total del mueble y del agua desperdiciada.

O Presencia de colorante en la taza, después de aditamentos del paquete.

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Funcionamiento de albañales

Durante la prueba de muebles sanitarios se optó por separar el problema de aceptación de un mueble sanitario, del de operación del sistema de drenaje. En efecto, el mueble sanitario debía descargar de modo eficaz los sólidos, evitar el paso de malos olores y lograr una autolimpieza efectiva en su operación para brindar la sanidad e higiene necesaria, debiendo contar además con un sistema de herraje rápido, eficiente y hermético. En la operación del albañal era necesario lograr el transporte efectivo de los desechos, sin posibilidad de obturación. En ambos casos, la mayor eficiencia se debía alcanzar con el mínimo consumo de agua.

Para ello, se consideró el diámetro, la longitud, la pendiente y la rugosidad del albañal, el volumen de agua en cada descarga y el tiempo y frecuencia con que se realizaba.

El análisis de la mecánica del flujo que se produce en un albañal es complicado, debido a que no es continuo y ocurre en forma de una onda aislada generada por cada descarga del mueble que produce una elevación transitoria de la superficie del agua desde el inicio del albañal, se traslada a lo largo del conducto e interacciona con los cuerpos sólidos arrastrados por el flujo.

En este fenómeno intervienen varias fuerzas, cuya magnitud es difícil de evaluar analíticamente, pero para los efectos de la experimentación sólo fue necesario conocer las magnitudes físicas de las que dependían y las combinaciones que se producían. Por tanto, se efectuó un análisis dimensional para su agrupamiento en parámetros sin dimensiones que permitieran reducir el número de variables por estudiar y los resultados que debían obtenerse. En el banco de pruebas no fue posible cambiar la longitud de los conductos, por lo que ésta quedó fuera del análisis.

El prototipo del material utilizado en los experimen- tos fue difícil de seleccionar en virtud de que las he- ces no tienen forma ni pes nidos. Se realizaron pruebas con los materiales especificados en las nor- mas mexicanas y canadienses y con cilindros hechos con un conglomerado de aserrín y gel, además, se adoptaron los materiales utilizados en otros países, consistentes en cilindros huecos rectos, de plástico rígido y opaco, con extremos planos que, al ta- rarse, permiten que la densidad relativa del material se ajuste al valor uno y sean arrastrados por el flujo con equilibrio indiferente.

Para seguir el protocolo de pruebas se instalaba un excusado de volumen y tiempo de descarga conocido, que descargaba a un conducto de pendiente y longitud conocidas. Se colocaba en la taza un tipo de material de tamaño y peso también conocidos antes de cada descarga del sanitario y ésta se efectuaba varias veces. Si el material nunca era arrastrado, se desechaba la prueba y el mueble. En caso contrario, el experimento continuaba hasta alcanzar el número de descargas necesarias para que el material llegara al final del conducto. Se determinaron:

V, volumen total de agua, T, tiempo total empleado en las descargas. W , peso total de material empleado en las

pruebas.

Esto permitió fijar un punto en un diagrama como el presentado en la ilustración 1.

Antes de cambiar el mueble sanitario, se repetía el mismo procedimiento con otro material, resultando otro u otros puntos similares en el diagrama. Después se cambiaba el mueble sanitario para tener otra capacidad de descarga y se repetía toda la secuencia anterior, tratando de obtener puntos similares en los diagramas correspondientes.

Se descartaron las pruebas en el albañal con pendiente de 1% debido a la gran cantidad de cambios de dirección que tenía, los que modificaban las distancias de recorrido del material e impedían la comparación con los resultados obtenidos en los albañales rectos de 3 a 5% de pendiente.

AI iniciar el programa de pruebas, y con el fin de disminuir algunas de las variables que intervienen en el experimento, se eligió el albañal con pendiente de 3%, procediendo a determinar el arrastre por volumen y por longitud, en los siguientes casos:

1. Se mantuvo como constante el material de prueba (18 esponjas sintéticas de 2 x 2 cm de sección y 7 cm de longitud, 17 kg/cm3 de densidad y saturadas de agua en su totalidad), haciendo variar la ,cantidad de agua desalojada, desde 6 hasta 10 O litros por descarga.

2. Se mantuvo constante el volumen de a descarga (6 litros), variando el material utilizado en la prueba. Este fue:

pelotas de ping-pong papel higiénico aserrín de madera esponjas sintéticas

La carga de material se aumentó de dos en dos mencionada en experimentos similares de otros piezas, hasta alcanzar el taponamiento del albañal países. o eliminar el arrastre de los sólidos. En ambos AI utilizar los prismas rectangulares de esponjas casos se detectaron problemas de obturación que se presentaron problemas de taponamiento en los generalmente ocurrían en los juntas o uniones de albañales, debido a la gran adherencia del material las tuberías. Esto fue causado principalmente por por efecto de sus aristas y a la rugosidad del las esponjas sintéticas, ya que tenían una superficie tubo; conviene señalar que este material no era muy muy áspera que las adhería a cualquier irregularidad representativo de los sólidos por arrastrar. u obstáculo que se presentara, por pequeño que No se tuvieron problemas de taponamiento ni

no presentaron ningún problema o dificultad en su y pelotas de esponja. En el caso del material

la densidad relativa del sólido antes de ejecutar la cuantificación ya que se disgregaban.

Las pruebas con los cilindros huecos permitieron prueba, se produjo disgregación al trasladarse a lo obtener sólo algunos puntos, debido a que la largo del conducto, por lo que fue imposible su longitud del albañal era pequeña y las pendientes cuantificación a la salida del albañal. grandes. Para compensarlo, se utilizaron cilindros En lo relativo al efecto producido por la con diámetro, longitud Y Peso mayores, con los que disminución del volumen de descarga de los inodoros se determinaron más puntos en el diagrama (veáse en los alcantarillados, es conveniente indicar que en ilustración 2). nuestro país se construyen sistemas combinados que

De las pruebas pudo concluirse que el material a desalojan el escurrimiento generado por tormentas de base de cilindros huecos de plástico rígido reproduce intensidad normal Y donde las aguas residuales se mejor las condiciones reales de arrastre, con las Convierten en fracciones relativamente insignificantes pendientes comúnmente usadas en los albañales se en comparación con la capacidad total de Cada observaron obturaciones sólo en casos de cilindros conducto. Además, al diseñar sistemas separados o exageradamente largos, lo que no correspondía a la combinados, no es recomendable que los conductos realidad. funcionen llenos o casi llenos, a fin de evitar la

producción de sulfatos y asegurar la ventilación y Aunque pueda ser paradójico, pareció más remoción de los gases producidos, conveniente en futuros diseños reducir el diámetro de

Dadas las dificultades encontradas en las pruebas los albañales a 10 cm para evitar los azolvamientos. Lo anterior se justifica hidráulicamente al alcanzar de arrastre en albañales, su ampliación a sistemas de

drenaje más complicados significaba dispositivos de mayor velocidad en el movimiento de la onda a experimentación más complejos. Sin embargo, por lo lo largo del albañal, por la disminución del área

del tubo. Esta recomendación ha sido también antes señalado, no eran de esperarse problemas de obturación por tratarse de tuberías de mayor diámetro y longitud pero conduciendo caudales mayores, donde incluso cambia la naturaleza y dimensiones de los sólidos por arrastrar, y con ello, el enfoque del estudio. En efecto, otros estudios como el mencionado en Eco-lngeniería (1986), han tenido por objeto determinar el comportamiento hidráulico de las atarjeas en los sistemas de alcantarillado que reciben las descargas de muebles de 4 a 8 litros do agua como volumen de arrastre. Las principales conclusiones fueron:

La velocidad de llegada a la atarjea del agua residual proveniente de la descarga domiciliaria es de 0.85 m/s o mayor, por la norma de pendiente, lo que impide la sedimentación en la atarjea. La velocidad mínima del agua en atarjea se mantiene arriba de 0.30 m/s por las condiciones normativas del proyecto y con velocidad aceptable

fuera. El papel higiénico y el aserrín de madera

recorrido, sin embargo, no fue posible lograr su

de adherencia del material con el papel sanitario

conglomerado de aserrín y gel, aunque se obtuvo

para un gasto mínimo 1.5 I/s, suficiente para el arrastre de sólidos en la atarjea.

O La simultaneidad de descarga en zonas habitado- nales densamente pobladas, hace que la probabi- lidad de sedimentación sea Prácticamente nula en una atarjea construida con las normas de la Secre- taría de Desarrollo Urbano y Ecología (Sedue). En los sistemas combinados, el volumen de arrastre generado por los escurrimientos pluviales es mayor y evitará la sedimentación de materia orgánica, pero siempre será necesario el debido mantenimiento del sistema.

O Las conexiones domiciliarias deberán cumplir siempre con la pendiente mínima de uno por ciento.

O Las atarjeas deberán cumplir con las normas de Sedue en cuanto a pendiente mínima (0.004 para diámetro de 20 cm).

O Son preferibles pendientes mayores de 0.0094 para diámetros de 20 cm a fin de obtener mayor velocidad de escurrimiento.

aspectos prácticos, lo que ha contribuido al buen funcionamiento de los laboratorios de prueba de muebles sanitarios de la DGCOH, los cuales están acreditados como laboratorios oficiales de prueba por la Secofi; en estos laboratorios se efectúa el protocolo de pruebas que marca la norma mexicana para la aceptación o rechazo de los miles de muebles sanitarios que se instalan en la ciudad dentro del programa masivo de sustitución.

O La experimentación realizada sirvió de apoyo para la firma de un convenio con los fabricantes de muebles sanitarios con descargas que no excedan de 6 litros, y para la elaboración del protocolo de pruebas de una nueva norma mexicana para verificar el funcionamiento de los mismos.

O Los resultados de los trabajos establecieron las bases para realizar los análisis de costo- beneficio y costo-efectividad de las alternativas entre programas de sustitución masiva de retretes o de conducción de agua de otras fuentes, cada vez más lejanas y difíciles, concluyéndose que la primera opción era sustancialmente mejor.

Conclusiones y recomendaciones

La creación de tecnología propia a nivel labora- torio, para investigar el funcionamiento de mue- bles sanitarios de manera controlada, ha permitido conocer su funcionamiento y ha abierto la posi- bilidad de fabricar en el país excusados de bajo consumo y costo sin necesidad de importarlos. También permitió experimentar los efectos que la reducción del consumo podía tener en la obtu-

tituyó una limitante a los programas masivos de sustitución.

O La tecnología creada ha extendido su campo a los

Referencias

Sottec Ingenieros, S. A. "Ejecución de los programas de experimentación en el banco de pruebas de muebles y accesorios de bajo consumo de agua, en el laboratorio de ingeniería experimental ubicado en Xotepingo, D. F., a fin de generar información encaminada a establecer parámetros de selección, normas para su fabricación y control de calidad". Informe final presentado a la DGCOH del DDF, México, en diciembre de 1986.

el alcantarillado por las descargas de excusados con volumen 4-8 litros de arrastre", Instituto Sedue, México, en julio de 1986.

ración de albañales que por mucho tiempo cons- ECO-Ingeniería, S. A. "Dictamen técnico de los efectos en