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.
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PREVENIR LA SEPTICIDAD
CONTENIDO
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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
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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
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INDICE DE FIGURAS
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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
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INDICE DE TABLAS
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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).
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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PREVENIR LA SEPTICIDAD 16
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
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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)
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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.
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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.
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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
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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
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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).
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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
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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%.
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• 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
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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
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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.
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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:
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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
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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)
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PREVENIR LA SEPTICIDAD 31
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)
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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).
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PREVENIR LA SEPTICIDAD 33
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)
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PREVENIR LA SEPTICIDAD 34
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.
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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
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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
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PREVENIR LA SEPTICIDAD 37
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.
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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
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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
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PREVENIR LA SEPTICIDAD 40
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.
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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)
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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.
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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
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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
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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
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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
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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.
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PREVENIR LA SEPTICIDAD 49
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:
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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.
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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
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PREVENIR LA SEPTICIDAD 52
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
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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.
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PREVENIR LA SEPTICIDAD 54
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)
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PREVENIR LA SEPTICIDAD 55
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
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PREVENIR LA SEPTICIDAD 56
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.
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PREVENIR LA SEPTICIDAD 57
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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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.
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• 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
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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.
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• 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.
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• 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.
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