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Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Civil
Evaluación de las condiciones de septicidad en el
Colector María Aguilar del Alcantarillado Sanitario Metropolitano.
Informe Final del proyecto de Graduación para obtener el grado de
Licenciatura en Ingeniería Civil
José Pablo Elizondo Barquero
Diciembre 2004
2
Dedicatoria
A mi madre por su apoyo incondicional, por creer en mi y por su firme y fuerte lucha por vencer el
cáncer de ovario estos últimos 4 años.
A todos aquellos que luchamos contra la injusticia, la corrupción y el abuso de poder.
3
Agradecimientos
A mis padres, mi hermano, mi abuela Elia, mi abuela Graciela que Dios acogió en su gloria hace un año, Seidy y mi sobrino por ser parte de mi vida.
A todos mis compañeros de la Universidad que conocí a lo largo de estos años
universitarios y que luchamos y no nos dimos por vencidos por llegar hasta acá.
A los Ingenieros Napoleón Cruz y Freddy Bolaños por la dedicación, la seriedad y seguimiento continuos por este proyecto de graduación, y a la Lic. Elvira Guevara y Sra. Yanireé Moya del
Centro de Documentación de AyA por toda su ayuda incondicional con la bibliografía de este proyecto de graduación. Por último a todo el personal de Estudios y Proyectos de AyA que de
una u otra forma prestaron su ayuda en múltiples ocasiones.
4
Tribunal Examinador
Director: Ing. Napoleón Cruz Zuchini MsC
Miembros asesores: Ing. Freddy Bolaños Céspedes MsC
Ing. Víctor Rodríguez Araya
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Elizondo Barquero, José Pablo Evaluación de las condiciones de septicidad en el colector María Aguilar del Alcantarillado Sanitario Metropolitano.
Proyecto de Graduación – Ingeniería Civil, - San José, Costa Rica: J. P. Elizondo B., 2004
Resumen El proyecto consiste en la evaluación de las condiciones de septicidad que se dan en el Colector María Aguilar del Alcantarillado Sanitario Metropolitano. El principal objetivo del estudio es caracterizar las aguas residuales y evaluar los modelos de corrosión dentro de las redes de alcantarillado, así como una evaluación de la infraestructura actual del colector.
Se hace una introducción al proyecto de graduación, antecedentes teóricos y prácticos en diferentes partes del mundo, su justificación, objetivos, los alcances y limitaciones de la evaluación. Además de un recorrido por los principales estudios contratados por el AyA para evaluar el estado de los sistemas de alcantarillado sanitario y sus colectores, así como sus alcances y necesidades, y obras futuras para su funcionamiento adecuado. En el marco teórico del proyecto de graduación se hace una breve introducción a las pruebas que se pueden elaborar a las aguas residuales y la interpretación de cada uno de los parámetros físicos, químicos y bacteriológicos que se hacen en un laboratorio como el Laboratorio Nacional de Aguas del AyA. También hace una recopilación de diferentes modelos de predicción de la corrosión elaborados en diferentes países, se procesó información proveniente de la USEPA, la Agencia de Protección Ambiental en Australia, la Universidad Estatal de Louisiana y la Universidad de California en EEUU, estudios realizados en el Reino Unido, entre otros. Se presentan los resultados de los recorridos que se hicieron al Colector María Aguilar para evaluar el estado de la infraestructura física de un 25% de la totalidad del mismo, y se extrapolaron los resultados a la totalidad del colector. Para esta evaluación se contó con la información de un trabajo similar de Nippon Koei Corp. Ltd contratado por AyA.
El último capítulo del informe muestra los análisis, sus respectivas conclusiones y las recomendaciones a los fenómenos de septicidad y corrosión que se están dando en el Colector. Se comparan y analizan todos los resultados obtenidos por medio de ayudas visuales como gráficos de barras o curvas de tendencias. Se puede decir que físicamente la mayoría de los problemas de infraestructura se dan por corrosión de escaleras de acceso a los pozos o de las tapas o anillos de hierro de estos. Otro aspecto físico importante son los deslizamientos del terreno que destruyeron algunos tramos del colector y el poco mantenimiento de limpieza y demarcación de las servidumbres de los colectores. Evaluación; fenómenos de septicidad; fenómenos de corrosión por aguas residuales; tratamiento de aguas residuales; factor de corrosión Z; alcantarillado sanitario. Director del Proyecto de Graduación Ing. Napoleón Cruz Zuchini Diciembre, 2004.
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Glosario AMSJ Área Metropolitana de San José
ANC Agua no contabilizada
AR Aguas Residuales
ARESEP Autoridad Reguladora de los Servicios Públicos
ASADAS Asociaciones Administradoras de Acueductos y Alcantarillados Sanitarios
ASAPS Análisis Sectorial de Agua Potable y Saneamiento
AyA Instituto Costarricense de Acueductos y Alcantarillados
BID Banco Interamericano de Desarrollo
BRS Bacterias reductoras de sulfatos
°C Grados centígrados
CAARS Comités Administradores de Acueductos Rurales
CTAI Comité Técnico Asesor
DBO Demanda bioquímica de oxígeno
DQO Demanda química de oxígeno
EEUU Estado Unidos de América
ESPH Empresa de Servicios Públicos de Heredia
GAM Gran Área Metropolitana
H2S Sulfato de Hidrógeno
H2SO4 Ácido Sulfúrico
ICAFE Instituto del Café de Costa Rica
ICE Instituto Costarricense de Electricidad
l litro
kg kilogramo
7
kg/DBO d kilogramo de DBO por día
kg/DQO d kilogramo de DQO por día
kgDBO/hab/d kilogramo de DBO por habitante por día
kgDQO/hab/d kilogramo de DQO por habitante por día
m metro
m2 metro cuadrado
m3/s metros cúbicos por segundo
MIDEPLAN Ministerio de Planificación Nacional y Política Económica
mg miligramos
MINAE Ministerio del Ambiente y Energía
OD Oxígeno Disuelto
OMS Organización Mundial de la Salud
OPS Organización Panamericana de la Salud
OSHA Agencia de Seguridad y Salud Ocupacional de los EEUU
pH Potencial hidrógeno
ppm Partes por millón
S Sulfuros y/o Azúfres
s segundo
SAPS Sector Agua Potable y Saneamiento
SETENA Secretaría Técnica Nacional Ambiental
SS Sólidos suspendidos
SSV Sólidos suspendido volátiles
SSLM Sólidos suspendidos del líquido de mezcla
SSVLM Sólidos suspendidos volátiles del líquido de mezcla
SO4 Sulfatos
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Indice:
Dedicatoria...................................................................................................................................2 Agradecimientos .........................................................................................................................3 Tribunal Examinador...................................................................................................................4 Resumen ......................................................................................................................................5 Glosario........................................................................................................................................6 Indice:...........................................................................................................................................8 Capítulo 1...................................................................................................................................12 Introducción y Problemática ....................................................................................................12
1-1 Introducción......................................................................................................................12 1-2 El problema específico .....................................................................................................16 1-3 Importancia.......................................................................................................................17 1-4 Antecedentes teóricos y prácticos del problema...............................................................20 1-5 Marco teórico del análisis del problema y solución propuesta ..........................................24 1-6 Objetivo General................................................................................................................27 1-7 Objetivos Específicos ........................................................................................................27 1-8 Alcances y limitaciones del proyecto.................................................................................28 1-9 Resumen de la justificación...............................................................................................28 1-10 Recursos disponibles ......................................................................................................29
Capítulo 2...................................................................................................................................30 Diagnóstico del Sector .............................................................................................................30
2-1 Plan Maestro de Saneamiento y Alcantarillado Sanitario de la Gran Área Metropolitana (PLAMAGAM), 1988................................................................................................................30
2-1-1 Situación del Alcantarillado Sanitario y el Sistema de Tratamiento de aguas negras municipales del Área Metropolitana antes del PLAMAGAM....................................31
Tuberías ....................................................................................................................32 2-1-2 Sistemas de tratamiento de las aguas negras.......................................................33
9
2-1-3 Problemas detectados en la red existente.............................................................33 2-1-4 Operación y mantenimiento del sistema de alcantarillado sanitario:.....................33 2-1-5 Diagnóstico de los sistemas existentes e identificación de los problemas y las soluciones: ...........................................................................................................................34
2-2 Estudio de Geotécnica ......................................................................................................34 2-3 Comparación del Programa de Muestreo del PLAMAGAM (TAHAL) y el de GEOTECNICA.........................................................................................................................36
2-3-1 Fuentes contaminantes ..............................................................................................38 2-3-1-1 Aguas Negras ......................................................................................................38 2-3-1-2 Contribuciones Industriales..................................................................................40
2-4 Estudio Sectorial de Agua Potable y Saneamiento en Costa Rica ...................................42
2-4-1 Situación actual en Costa Rica...................................................................................43 2-4-2 Población y Cobertura de Servicios............................................................................44
Capítulo 3...................................................................................................................................50 Marco Teórico............................................................................................................................50
3-1 Pruebas a las aguas residuales ........................................................................................50
3.1.1 Aspectos básicos sobre muestreo y análisis ..............................................................50 3.1.2 Parámetros físicos ......................................................................................................50
3.1.2.1. Temperatura del agua .........................................................................................50 3.1.2.2. Turbiedad ............................................................................................................51 3.1.2.3 Color ....................................................................................................................51 3.1.2.4 Sólidos totales y sólidos suspendidos.................................................................51
3.1.3 Parámetros químicos ..................................................................................................52 3.1.3.1 Oxígeno Disuelto (OD) .........................................................................................52 3.1.3.2 Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) ...........................................................52 3.1.3.3 Demanda Química de Oxígeno...........................................................................53 3.1.3.4 Carbono Orgánico Total (COT) ...........................................................................53 3.1.3.5 Nitrógeno.............................................................................................................53 3.1.3.6 Fósforo ................................................................................................................54 3.1.3.7 Acidez (pH)..........................................................................................................54
3.1.4 Parámetros Biológicos ................................................................................................54 3.1.4.1 Coliformes fecales ................................................................................................54
3-2 El problema de la corrosión por H2S .................................................................................55
3.2.1 El problema específico...............................................................................................55 3.2.2 Características físico – químicas del sulfuro de hidrógeno........................................57 3.2.3 Ciclo del azufre (S).....................................................................................................58 3.2.4 Formación de compuestos de sulfuro dentro del alcantarillado sanitario ..................60 3.2.5 Predicción de acumulación de sulfuros en el alcantarillado sanitario ........................63 3.2.6 Factor de corrosión Z..................................................................................................66 3.2.7 Tasa de acumulación de sulfuros en tuberías principales a presión ..........................69 3.2.8 Predicción de acumulación de sulfuros en tuberías parcialmente llenas....................70 3.2.9 Aireación en tuberías parcialmente llenas ..................................................................71 3.2.10 Acumulación de sulfuros en alcantarillados sanitarios pequeños.............................74
10
3.2.11 Efectos corrosivos del H2S........................................................................................76 3-3 Modelos para pronosticar las concentraciones de sulfuros y de corrosión .......................81
3.3.1 Ecuaciones de pronóstico..........................................................................................81 3.3.2 Ecuaciones para tuberías llenas................................................................................82 3.3.3 Ecuaciones para tuberías parcialmente llenas ..........................................................84 3.3.4 Resumen de las ecuaciones para predecir las tasas de formación de sulfuros ........87
3.3.4.1 Ecuaciones para tuberías llenas ..........................................................................87 3.3.4.2 Ecuaciones para tuberías parcialmente llenas.....................................................87 3.3.4.3 Ecuaciones para tuberías parcialmente llenas – método conservador ................88
3.3.5 La curva de producción de sulfuros en tuberías parcialmente llenas .........................89 3.3.6 Ejemplo de cálculo ......................................................................................................91 3.3.7 Predicción de tasas de corrosión en tuberías de concreto .........................................94 3.3.8 Ejemplo de cálculo de corrosión .................................................................................98
Capítulo 4.................................................................................................................................100 Evaluación física y modelado del Colector ..........................................................................100
4.1 Evaluación física del colector ..........................................................................................100
4.1.1 Criterios de selección de los tramos de estudio........................................................100 4.1.2 Nomenclatura para los colectores.............................................................................101 4.1.3 Descripción de las áreas de las muestras ................................................................102 4.1.4 Metodología del inventario ........................................................................................103 4.1.5 Aspectos a evaluar....................................................................................................103
4.1.5.1 Estado de infraestructura ...................................................................................103 4.1.5.2 Accesibilidad.......................................................................................................104 4.1.5.3 Condiciones del entorno.....................................................................................104
4.1.6 Resultados obtenidos................................................................................................104 María Aguilar .........................................................................................................................104
4.1.7 Comentarios a los resultados....................................................................................105 4.1.7.1 Pozos de registro................................................................................................106 4.1.7.2 Tramos de colectores .........................................................................................110
María Aguilar .........................................................................................................................111 4.1.8 Resultados del estudio anterior.................................................................................114
4.2 Aplicación de un modelo matemático al colector.............................................................116
Capítulo 5.................................................................................................................................140 Conclusiones y recomendaciones ........................................................................................140
5.1 Caracterización de las aguas en el Colector María Aguilar.............................................140 5.2 Caracterización de las aguas de salida en el Colector María Aguilar ............................141 5.3 Análisis de las aguas residuales en el colector María Aguilar........................................144 5.4 Análisis de los resultados al aplicar uno de los modelos matemáticos de corrosión al colector María Aguilar............................................................................................................150
11
5.5 Recomendaciones..........................................................................................................163 5.5.1 Detección y monitoreo de la corrosión por H2S ........................................................163 5.5.2 Prevención de la corrosión por H2S en sistemas existentes.....................................164 5.5.2.1 Inyección de aire ....................................................................................................165 5.5.2.2 Inyección de oxígeno .............................................................................................165 5.5.2.3 Peróxido de hidrógeno (H2O2)................................................................................166 5.5.2.4 Cloro (Cl2) ..............................................................................................................166 5.5.2.5 Permanganato de potasio (KMnO4) .......................................................................166 5.5.2.6 Sales de metales....................................................................................................166 5.5.2.7 Hidróxido de sodio .................................................................................................167 5.5.2.8 Otros químicos .......................................................................................................167 5.5.3 Prevención de la corrosión por H2S en sistemas que se están diseñando...............167 5.5.3.1 Velocidad de las aguas residuales.........................................................................168 5.5.3.2 Diseño de juntas y caídas ......................................................................................169 5.5.3.3 Tuberías a presión, sifones y alcantarillados sobrecargados ................................169 5.5.3.4 Chimeneas de ventilación ......................................................................................169 5.5.3.5 Control local en las descargas industriales............................................................170
Bibliografía...............................................................................................................................171 Anexos
A-1 Resultados de las pruebas de laboratorio de las muestras de aguas en el Colector María Aguilar............................................................................................... A-1
A-2 Fichas de la evaluación física del colector………………………………………….. A-28
A-3 Mapas de los colectores María Aguilar 1 y 2.........................................................A-35
A-4 Información sobre Plantas de Lodos Activados....................................................A-36
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Capítulo 1
Introducción y Problemática
1-1 Introducción
“En los países en vías de desarrollo, aproximadamente 1.3 mil millones de personas no
tienen acceso a cantidades adecuadas de agua limpia y casi 3 mil millones carecen de medios
adecuados para deshacerse de sus heces. Se estima que unas 10,000 personas mueren cada
día por enfermedades relacionadas con el agua o saneamiento y miles más padecen una
variedad de enfermedades debilitadoras”1. El impacto de servicios inadecuados de agua y
saneamiento recae principalmente sobre los sectores pobres. Mal servidos por el sector formal,
los sectores de clase baja deben hacer sus propios y a menudo precarios, arreglos para
satisfacer sus necesidades básicas de sobrevivencia. Muchos acarrean agua desde lugares
lejanos o se ven forzados a pagar precios muy altos a un vendedor de agua por cantidades
muy pequeñas de dicho líquido.
La clara necesidad de servicios básicos de agua y saneamiento en los sectores pobres
adquiere aún mayor significado cuando se consideran los vínculos con otras dimensiones de la
pobreza. Las enfermedades relacionadas con agua y saneamiento imponen pesadas cargas
sobre los servicios de salud e impiden la concurrencia de los niños a la escuela. Debido a la
contaminación de ríos y tierras cultivables, los desechos humanos representan un tremendo
costo social. La Figura 1-1 muestra cómo la falta de agua y saneamiento impacta la pobreza a
través de estos y otros vínculos.
A pesar de las inversiones importantes realizadas en este sector por los gobiernos,
organizaciones no gubernamentales, agencias bilaterales y multilaterales, y el sector privado
durante las últimas décadas, sigue siendo sombría la perspectiva de acceso a suministros
adecuados de agua limpia y a un saneamiento ambientalmente sostenible. La cobertura varía
sustancialmente de un país a otro pero, en la mayoría de los países con ingresos muy bajos,
más de un tercio de la población rural carece de acceso a agua limpia o saneamiento. Esto
sucede a pesar de que los sectores que carecen de acceso práctico o económico al agua, la
identifican invariablemente como su necesidad básica de más alta prioridad. 1 World Bank Organization Poverty Strategies Net
13
Figura 1-1: Vínculos entre la pobreza, el agua y el saneamiento.
Fuente: World Bank Organization Poverty Strategies Net.
La falta de acceso se debe tanto a la escasez de ingresos, como al ambiente cultural,
económico, normativo e institucional del país de que se trate. Un hogar urbano, ubicado en un
barrio informal (precarios), tal vez no esté conectado al sistema de agua corriente porque no
tiene derechos de propiedad sobre la tierra que ocupa. Esto impide que la compañía de
servicios construya instalaciones fijas en terrenos ocupados ilegalmente. La falta de presencia
política de los sectores de clase baja, rurales o urbanos, puede impedir que sus necesidades
se escuchen en el momento de la distribución de fondos destinados a mejoras en el suministro
de agua y saneamiento. En otras situaciones, la falta de acceso sencillo y económico a
recursos de agua limpia se puede deber a la contaminación, de origen humano, de los cursos
de agua. Los costos del tratamiento o de las tecnologías necesarias para extraer el agua de
mantos acuíferos más profundos, a menudo están fuera del alcance de las comunidades más
pobres, sin grandes sacrificios de consumo. Si bien un recurso contaminado o servicio
inadecuado afecta igualmente a los segmentos de clase baja y más adinerados de la población,
los hogares de mayores ingresos pueden pagar soluciones privadas para estos problemas, que
resultan demasiado costosas para la población de clase baja.
14
Para los sectores de clase baja, un servicio inadecuado de agua y saneamiento
aumenta sus costos de subsistencia, disminuye su potencial de ingresos, afecta su bienestar y
hacen más riesgosa su vida. El deterioro continuo, casi universal, de las fuentes de agua
subterráneas y de superficie de las que depende la población, significa que los problemas de
agua y saneamiento simplemente empeorarán.
Los mecanismos clásicos de contagio de las enfermedades transmitidas por el agua son
la falta de aseo personal, que se describe como “ciclo corto” (heces → mano → boca) y la
contaminación ambiental, descrita como “ciclo largo”. La Figura 1-2 siguiente explica estos
ciclos. Por lo general, las inversiones físicas en el saneamiento de la comunidad quiebran con
más eficacia el ciclo largo. Conquistar el ciclo corto significa lograr cambios en los hábitos y
prácticas personales, un reto mucho más difícil.
Figura 1-2: Formas principales de exposición humana a los agentes patógenos del ámbito acuático
Fuente: World Bank Organization Poverty Strategies Net.
15
La diarrea representa casi el 30 por ciento del total de enfermedades infantiles
contagiosas; causa cerca de 2.2 millones de muertes por año y un número mucho mayor de
casos de enfermedad en niños y adultos. Ataques continuos de diarrea contribuyen a la
desnutrición. El agua y el saneamiento, así como la higiene personal, están íntimamente
relacionados con las enfermedades diarreicas. Las interacciones son complejas, pero se
requieren cantidades adecuadas de agua, aunque fuera de baja calidad, si la gente ha de
adoptar los hábitos de higiene necesarios para eliminar las vías de contagio.
Así como todos necesitamos agua diariamente, cada uno, rico o pobre, defeca y orina
todos los días. El lugar donde esto se haga tiene un impacto importante sobre la salud familiar.
Los hogares con baños privados tienen una tasa de morbilidad considerablemente más baja
que la de los que no cuentan con ellos. Los baños privados no sólo benefician al hogar, sino
también a los vecinos, que quedan protegidos de sus heces. La gente con bajos recursos y sus
vecinos a menudo carecen de baños privados, lo cual los obliga a defecar en espacios públicos
y los expone más al contagio de enfermedades.
La Figura 1-3 ilustra los canales más importantes a través de los cuales una mejora
física en los servicios de agua y saneamiento afecta la salud. En adición a la intervención física,
la disponibilidad de educación sobre higiene ayuda a garantizar que las heces se eliminen en
forma sanitaria, las manos se laven bien y el agua se almacene de manera segura.
Se ha comprobado también que una infraestructura inadecuada de agua y saneamiento
afecta negativamente a las mejoras que se logren en otros aspectos de la salud. Desde la
perspectiva de la comunidad, la disponibilidad de cloacas tiene una función de salud
importante. Donde no existen o cuando están bloqueadas y las aguas negras desbordan a las
calles, los niños quedarán especialmente expuestos al contagio de enfermedades por contacto
directo. Las aguas estancadas también pueden ser un foco de otros agentes de contagio,
tales como los mosquitos que transmiten el paludismo y otras enfermedades.
16
Figura 1-3: Efectos sobre la salud de las intervenciones en la provisión de agua y saneamiento.
Fuente: World Bank Organization Poverty Strategies Net.
1-2 El problema específico
La molestia por malos olores es un problema de importancia para las compañías que se
dedican al tratamiento y gestión de aguas residuales. La calidad de las aguas residuales del
alcantarillado sanitario tiene un gran impacto en la operación de las plantas de tratamiento.
Generalmente la mayoría de las líneas de alcantarillado tienden a desarrollar condiciones
anaeróbicas en algún punto. Estas condiciones anaeróbicas están asociadas con numerosos
problemas. Favorecen el crecimiento de bacterias filamentosas que facilitan la obstrucción de
los filtros en las plantas de tratamiento. También, tienden a generar sulfuro de hidrógeno (H2S),
el cual tiene un olor penetrante y desagradable, y es letal en altas concentraciones. Uno de los
peores resultados del sulfuro de hidrógeno es la corrosión del acero y el concreto de las líneas
de las redes de alcantarillado, lo cual reduce significativamente la vida útil de la red sanitaria.
Estos problemas pueden ser mitigados si se mantienen las condiciones aeróbicas
dentro del medio del alcantarillado. Bajo condiciones aeróbicas, el H2S no es producido y el
crecimiento de la población bacteriana aerobia (que digieren la materia orgánica) aumenta. Se
han utilizado distintas metodologías para mantener las condiciones aeróbicas dentro del
alcantarillado, como por ejemplo la aireación, o en otros casos la inyección de oxígeno en
cantidades suficientes para mantener las condiciones aerobias. Otras posibilidades son, la
inyección de cloro, permanganato, peróxido de hidrógeno y la alcalinización. Se reduce
17
igualmente la formación del H2S, limitando las longitudes de conducción en carga sin aireación
reduciendo los tiempos de retención en zonas sin aireación, aireando suficientemente las redes
de saneamiento.
El límite de saturación de oxígeno disuelto, para el aire a presión atmosférica depende
de la temperatura, y es alrededor de 8 mg/l a temperatura ambiente. La respiración bacteriana
en las aguas residuales frescas es superior a 14 mg/l por hora y el cultivo de bacterias adherido
a las paredes de la tubería puede utilizar otros 700 mg de oxígeno por m² y por hora. El total de
oxígeno disuelto presente inicialmente en el agua, raramente excede de 3 ppm,
consecuentemente, éste es absorbido rápidamente e incluso las aguas conteniendo el límite de
saturación de 8 ppm raramente permanecerían frescas por más de una hora.
Las necesidades de oxígeno pueden estimarse con bastante precisión, porque el
oxígeno puro se disuelve doce veces más rápido que el oxígeno atmosférico con una
solubilidad límite de 48 ppm a presión atmosférica, las necesidades de oxígeno para la
respiración de las bacterias puede asimilarse siempre al límite de solubilidad de agua
bombeada. En las pocas situaciones donde el límite de solubilidad es sobrepasado por la
demanda, el oxígeno puede ser inyectado en puntos adicionales a lo largo de la tubería. Como
generalmente se requiere de dosis en concentraciones muy altas, para tratar una sección del
alcantarillado, entonces los costos de tratamiento son muy altos.
En Costa Rica no hay estudios previos de este tipo de problemática, sin embargo hay
evidencia de colapso del alcantarillado sanitario en algunos puntos del Área Metropolitana. En
este proyecto de graduación se hacen una serie de análisis a las aguas residuales del Colector
María Aguilar, se plantea un modelo matemático de la septicidad y de la corrosión y se hace
una evaluación física de este. Se pretende caracterizar las aguas del colector ya que
próximamente se construirá una planta de tratamiento para sus aguas residuales. Asimismo, se
pretende encontrar si se están dando colapsos en el alcantarillado sanitario metropolitano de la
Ciudad de San José, debidos a las condiciones de septicidad y a los fenómenos de corrosión
asociados con estas.
1-3 Importancia
Generalmente, los usos domésticos e industriales del agua producen un deterioro en su
calidad y se hace necesario recolectar las aguas residuales para darles un tratamiento efectivo
18
antes de devolverlas al medio ambiente. En muchos casos las aguas residuales tratadas
representan una parte importante de los recursos hidráulicos, ya que pueden volver a utilizarse.
Las aguas residuales son las aguas de composición variada provenientes de las descargas de
usos municipales, industriales, de servicios, agrícolas, pecuarios, y en general de cualquier otra
fuente, así como la mezcla de ellas2. En el caso de las aguas negras, son las aguas que lleva
la red de alcantarillado sanitario, son aguas sépticas con un alto grado de contaminación.
Los primeros fines del tratamiento de aguas negras son estabilizarlas sin producir olor o
molestias y sin poner en peligro la salud. Debido a que el abastecimiento de agua se esta
convirtiendo en un problema crítico, la contaminación de una fuente de abastecimiento
mediante la descarga de aguas negras no tratadas, poniendo así en peligro las fuentes de
aguas nacionales, no puede ser tolerada. El tratamiento de las aguas negras, normalmente, se
lleva a cabo en dos fases. En la primera, llamada tratamiento primario, los sólidos gruesos se
eliminan de las aguas negras utilizando mallas y sedimentación. Cuando se tratan aguas
negras combinadas, o cuando existen partículas de materia mineral en las aguas negras, la
eliminación de las arenillas se considera parte del tratamiento primario. La segunda fase,
llamada tratamiento secundario, involucra la oxidación biológica.
Las redes de alcantarillado sanitario poseen cantidades sustanciales de compuestos
orgánicos y la bio degradación es parte de sus procesos. Cuando esta bio degradación ocurre
en situaciones donde las cantidades de oxígeno suplido son limitadas (como es el ejemplo de
las redes de alcantarillado sanitario), las condiciones de septicidad tienden a desarrollarse.
Como resultado de esto se da una utilización microbiana de formas combinadas con oxígeno
como los sulfatos. La reducción de sulfatos, la cual es resultado de las bacterias reductoras de
sulfatos (BRS) bajo condiciones anaeróbicas, ceden el ión sulfato y en condiciones donde el pH
es ácido, el sulfuro de hidrógeno es reducido a su forma gaseosa.
La producción de sulfuro de hidrógeno en las redes de alcantarillado sanitario es un
problema común en diferentes países. El sulfuro de hidrógeno se forma en la red de
alcantarillado, es un gas tóxico que puede subsecuentemente contaminar la atmósfera en
pozos de acceso o estaciones de bombeo. Además, es corrosivo en metales y puede ser
oxidado en superficies húmedas a ácido sulfúrico, causando todavía más corrosión en el
2 SEMARNAP, 1997
19
concreto y su refuerzo. El sulfuro de hidrógeno también posee un fuerte y desagradable olor,
perceptible en niveles de tan solo 0.01 ppm en la atmósfera.
Debido a la problemática expuesta anteriormente se debe de investigar si los problemas
de colapso o de septicidad en el alcantarillado de la ciudad de San José se están presentando
y cuales son las medidas que se deben de tomar si este es el caso.
Como la actividad biológica que resulta en condiciones de septicidad es casi inevitable
en el alcantarillado sanitario, la solución a los problemas de olores no debe de parar la
actividad biológica. De hecho, la actividad biológica es permitida con sustitutos de sulfatos, de
manera que los sulfuros no se formen. Este tipo de sustitutos se han utilizado en Europa y
Estados Unidos con compuestos como nitratos sirviendo como sustitutos, y los resultados, en
términos de reducción de sulfuros, han sido bastante buenos. La aplicación exitosa está
relacionada con conocer las cantidades de nitratos y los tipos de dosis que se deban de aplicar
dependiendo de la técnica.
Por ejemplo, en Singapur, la aplicación directa de la técnica desarrollado en Europa, es
inapropiada debido a razones como diferentes composiciones orgánicas y concentraciones,
temperaturas del ambiente, y los tiempos de retención de los alcantarillado sanitarios. De
estudios de laboratorio, se ha encontrado que las reacciones de nitrato requieren de tiempos de
reacción de entre 1.5 y 2 horas, dependiendo de las concentraciones de nitrato utilizadas, para
oxidar 0.5 mg/l de sulfato disuelto. En este caso en particular los tiempos de reacción son
generalmente más largos que los tiempos de retención de los alcantarillados sanitarios de
Singapur. Como resultado, el exceso de nitratos llegó hasta los tanques de sedimentación
primarios, lo que produjo como resultado un aumento en la formación de lodos en los tanques.
Los tiempos de retención distintos en los alcantarillados sanitarios, las condiciones
ambientales de los diferentes lugares, el clima, temperatura y demás factores que tienen un
impacto sobre el comportamiento de un alcantarillado sanitario pueden llevar a diferentes
problemas y distintas soluciones para un mismo problema en dos puntos geográficos distintos.
Como se mencionó anteriormente, en Costa Rica no hay antecedentes de estudios sobre
septicidad en el alcantarillado sanitario, sin embargo se han observado colapsos del
alcantarillado en algunos puntos de la Gran Área Metropolitana. Este proyecto de graduación
20
plantea llevar a cabo un análisis para determinar si este tipo de problema se esta presentando,
en que lugares y sus posibles recomendaciones para solucionarlo.
1-4 Antecedentes teóricos y prácticos del problema
En el Oriente medio, la rápida corrosión desde el interior en los tubos de acero y
asbesto – cemento, está enfrentando a los consultores de operaciones de alcantarillado, con un
problema aparentemente intratable. El ataque ácido de las paredes de los tubos, llevado a cabo
por la combinación letal de las altas temperaturas y de las aguas negras sépticas, ha conducido
a la falla y colapso de un número de alcantarillas en el lapso de pocos años después de su
construcción.
Los ejemplos en Oriente Medio incluyen:
• Un tubo madre ascendente que se "disolvió" en 18 meses;
• Alcantarillas troncales de concreto corroídas más allá del refuerzo en el lapso de 10
años;
• Numerosos casos de tubos de asbesto - cemento (algunos sin recubrimientos, otros con
una variedad de recubrimientos protectores) carcomidos por encima de la línea de
aguas negras en 5 a 10 años;
• Maquinaria y conexiones atacadas - en un caso, se informa de una estación de bombeo
cuyos tubos de entrada de hierro colado han desaparecido totalmente en 6 a 7 años.
El problema es que, parece imposible combatir los esfuerzos de un microbio combativo,
apropiadamente llamado Thiobacilus concretivorous. La proliferación de esta única bacteria en
el limo de las coronas de las alcantarillas parcialmente llenas, proporciona el mecanismo
biológico necesario para oxidar el gas sulfuro de hidrógeno liberado de las aguas negras
sépticas.
El ácido sulfúrico resultante baja progresivamente el pH del limo a valores muy por
debajo de los límites de tolerancia de los tubos de concreto y de la mayoría de los metales. Se
han informado cifras tan bajas como pH 1.0 comparados con un pH 6.0 que es la cifra más baja
recomendada para el cemento ordinario Portland y un pH 5.0 como el nivel en donde se puede
esperar que empiece el ataque a los tubos de asbesto - cemento.
21
La corrosión por sulfuro de hidrógeno no es un fenómeno nuevo; fue reconocido ya en
1902, cuando CD James registró en su libro Problemas de Drenaje en el Oriente que en los
tubos de cemento del sistema de alcantarillado de Madras “se descubriera que estaban en una
muy curiosa condición”. Esta condición, típica del ataque por sulfuros, consistía en material que
estaba sano por debajo del nivel de las aguas de la alcantarilla pero corroído hasta el punto de
colapso por encima de este nivel. James incluyó una descripción de los procesos químicos que
llevaban a los daños de los tubos, y reconoció al "hidrógeno sulfurado en los gases de las
aguas de alcantarilla” cómo el principal atacante.
Más recientemente en 1972, el australiano DKB Thistlethwayte le dedicó todo un libro
“El Control de los Sulfuros en los Sistemas de Alcantarillado”, un informe de 20 años de
estudios patrocinados por las principales autoridades australianas de alcantarillado.
El Oriente Medio tiene todas las condiciones clásicas necesarias para el desarrollo de
un ataque rápido:
• La escasez de agua significa que el agua se baja con poca frecuencia (quizá una vez en
el día) así que el agua de las alcantarillas es séptica y concentrada.
• El alto contenido natural de sulfato del agua potable proporciona nutrientes para las
bacterias anaerobias que producen H2S en las aguas sépticas de los alcantarillados.
• Generalmente la tierra plana y la tasa lenta de las conexiones significa velocidades
lentas, incrementando así los tiempos de retención y previniendo la depuración del
sedimento y del limo.
• Los tubos madres de bombeo tienen largos períodos sin funcionar, que aumentan la
septicidad.
• Las altas temperaturas aceleran la generación de H2S y su conversión en ácido
sulfúrico.
Así que la corrosión no era inesperada, y las precauciones contra ella han sido incluidas
por muchos años en los diseños de alcantarillas en el Oriente Medio, pero no han surtido efecto
debido a la velocidad del ataque.
22
Las medidas en contra han sido categorizadas bajo tres encabezamientos: preventivas,
protectoras y curativas. Pero, los expertos de ninguna manera están de acuerdo en la
importancia relativa de cada una de ellas.
Las medidas preventivas se encaminan a la remoción de uno o ambos de los
ingredientes vitales de la producción de ácido por encima de la superficie de las aguas de la
alcantarilla - el sulfuro de hidrógeno y la humedad, y el limo que contiene el nutriente en la
corona de la alcantarilla. La septicidad, y por lo tanto la producción de H2S, empieza cuando
todo el oxígeno disuelto ha sido usado por las bacterias aeróbicas purificadoras.
El tiempo en que se da el cambio de agua de alcantarilla "fresca" a agua séptica puede
ser extendido al mantener el líquido oxigenado. La inyección de oxígeno ha sido exitosamente
utilizada en los Estados Unidos, donde el ataque por H2S amenazó a secciones de las
alcantarillas de Los Ángeles3.
Su principal desventaja particularmente en los países en vías de desarrollo, es la
necesidad de mantenimiento regular de la generación de oxígeno y del equipo de inyección. Y
por supuesto este no puede enfrentarse a situaciones en donde las aguas negras ya son
sépticas cuando entran a la alcantarilla.
Otra medida dirigida a la prevención de la iniciación de la septicidad es el uso de
gradientes empinados para bajar el tiempo de flujo de las aguas negras a la desembocadura.
Las altas velocidades producen doble beneficio de tiempo de retención reducido y los
frecuentes chorros de agua autolimpiadores para limpiar el limo y la grieta portadores de
nutrientes.
La mayoría de los diseñadores utilizan velocidades mínimas de 0.85 -1.0 m/s en los
países de clima caliente, pero sus intenciones se ven frustradas a menudo por el paso lento de
las conexiones de las casas, lo que significa que las alcantarillas están recibiendo bien por
debajo de su diseño de flujos por un tiempo suficientemente largo para que empiece el ataque.
También en el Oriente Medio la topografía usualmente está en contra de los gradientes
empinados a menos que las excavaciones sean muy profundas lo cual no es práctico. Una
3 USEPA: Hydrogen Sulfide Corrosion in Wastewater Collection & Treatment Systems. Report to Congress, 1991
23
excepción notable es Libia, en donde Howard Humphroys fue capaz de obtener velocidades
mínimas de 1.0 m/s usando gradientes naturales y no ha tenido ningún problema con tubos de
asbesto cemento instalados a principios de los años 60.
La septicidad inducida por las aguas negras estancadas por largo períodos en las
cañerías madres ascendentes puede ser contraatacada ya sea cambiando los ciclos de
operación de bombeo, para producir iniciaciones más frecuentes, particularmente durante la
noche.
En donde la septicidad no puede ser evitada, el grado de corrosión puede ser mitigado
por pozos de ventilación adecuadamente situados, para permitir que el gas sulfuro de
hidrógeno salga a la atmósfera antes de que empiece la producción de ácido. El sulfuro de
hidrógeno es de mal olor (olor a huevo podrido), y tóxico a concentraciones bastante bajas, así
que las bocas de salida generalmente deben ser retiradas de las áreas residenciales y estar
ubicadas en sitios donde los gases de alcantarilla se dispersen rápidamente.
Una respuesta obvia, es buscar materiales resistentes al ácido como tubos de arcilla o
PVC, pero, desgraciadamente la solución no es tan simple. Es por esto que está ganando
terreno el PVC. Otros competidores, actualmente más caros ofrecen la ventaja de una mayor
rigidez y uniones soldadas, como el polietileno de alta densidad y el polipropileno de alta
densidad.
En los tamaños mayores la escogencia es más restringida; el plástico reforzado con
fibra de vidrio ofrece resistencia al ácido, pero actualmente es demasiado costoso y también
presenta los problemas del empotramiento.
Solamente el concreto y el asbesto-cemento son escogencias prácticas para las
alcantarillas. El asbesto cemento también sigue siendo la alternativa más barata para las
pequeñas alcantarillas, siempre y cuando pueda ser protegido adecuadamente.
Más recientemente los tubos de concreto y asbesto cemento han sido tratados con
revestimientos de epóxicos alquitrán con diversos grados de éxito. Los epóxicos alquitrán son
caros - aproximadamente el doble del precio de la cama de roca de un tubo asbesto-cemento -
y necesita una aplicación muy cuidadosa para asegurar los mejores resultados.
24
El paso siguiente al epóxico alquitrán, es un costoso recubrimiento de puro epóxico. De
acuerdo con el fabricante Británico Colebrand, que comercializa un epóxico puro
específicamente diseñado para "condiciones altamente corrosivas y abrasivas" el contenido de
alquitrán del epóxico alquitrán puede llevar a un fallo si algunos ácidos orgánicos se encuentran
presentes en el agua de la alcantarilla.
Otra medida protectora que está ganando terreno en el Oriente Medio, después de su
éxito en Australia y en los Estados Unidos, es el molde de revestimiento colocado
mecánicamente en PVC contra la pared interior de los tubos de concreto. Taylor probó esto in
situ en una longitud piloto de unas alcantarillas de Bagdad y tuvo fallas de unión, y Peter Banks
ahora cree que el tubo revestidor del fondo debe ser puesto en el trabajo del proveedor, pero
pocos proveedores lo hacen.
En la mayor parte, si las medidas curativas no alcanzan a proteger largas alcantarillas
sería bueno reemplazarlas con tubos resistentes.
Son extensiones de las precauciones preventivas ya discutidas:
• La inyección de oxígeno (o aire o peróxido de hidrógeno) en los tubos madres
ascendentes. Están siendo probadas con mejoras como el aumento de las
frecuencias de bombeo, y la ventilación.
• El lavado regular con agua de mar o efluente reclamado, para lavar el limo
procreador de bacterias, es efectivo siempre y cuando los operadores recuerden
hacerlo.
• Las alcantarillas dañadas pueden ser recubiertas con capas protectoras, pero
solamente si la corrosión no está demasiado avanzada - Colebrand asegura ser
capaz de limpiar y revestir tuberías hasta de 100 mm de diámetro.
• Dependiendo del acceso, tuberías nuevas de PVC pueden ser enroscadas
dentro de las tuberías de cemento dañadas.
1-5 Marco teórico del análisis del problema y solución propuesta
La septicidad en el alcantarillado ocurre cuando los microorganismos presentes en el
sistema y que se adhieren a las superficies internas han consumido todo el oxígeno y nitratos
presentes en el alcantarillado. Cuando las condiciones anaeróbicas se desarrollan, las
25
bacterias presentes reducen los compuestos orgánicos de sulfatos, y consecuentemente las
bacterias reductoras de sulfatos utilizan estos para formar sulfuros.
Las condiciones de septicidad en el alcantarillado sanitario son importantes debido a
tres razones críticas:
1) la presencia de olores nocivos que pueden provocar una molestia a nivel social y del
entorno.
2) La corrosión del material del sistema de alcantarillado debido a la presencia de sulfuro
de hidrógeno, incluyendo su oxidación biológica al ácido sulfúrico que resulta en la
destrucción total de las tuberías y canales de concreto y sus uniones en mortero,
especialmente en climas templados en donde la tasa de formación de sulfuros y la
oxidación son muy altos.
3) La obstrucción de filtros u otras partes en las plantas de tratamiento debido a la
presencia de bacterias filamentosas en condiciones de septicidad.
Los alcantarillados por su propia naturaleza tienen olores desagradables que se tornan
en repulsivos cuando se llega a condiciones de septicidad. Algunos de los compuestos típicos
presentes en los olores de alcantarillados incluyen: sulfatos orgánicos y H2S con límites de olor
con rangos de 1 a 4 ppb ( olores ácidos ); y amonia y aminos (incluyendo otros compuestos
orgánicos como skatole, indole, y dietilamina) que tienen límites mucho más altos que los
sulfatos ácidos, pero que son más persistentes ( olores alcalinos ).
Los problemas de olores y corrosión que pueden surgir a partir de la formación de
sulfuros, dependen de la cantidad de sulfuro de hidrógeno que se escape a la atmósfera interna
de la alcantarilla, y esto depende del nivel de pH en el sistema.
El sulfuro de hidrógeno (H2S), es un gas muy flamable y muy tóxico, con un olor
característico parecido al de huevo podrido. Su límite de concentración de olor es bastante
bajo, entre 1 y 10 mg/l, y es potencialmente peligroso ya que su olor se disipa conforme la
concentración aumenta; el estado de inconciencia se puede alcanzar seguido por la muerte,
para concentraciones de 300 ppm por volumen de aire. Puede ser transferido a la atmósfera
del alcantarillado en puntos donde se de turbulencia, por ejemplo en pozos húmedos, accesos
y caídas en los alcantarillados por gravedad. Su olor puede llegar a ser inclusive peor cuando
hay presencia de otros compuestos mal olientes en presencia de condiciones anaerobias.
26
El H2S corroe el cobre, aleaciones de este como el bronce, y plata, para formar sulfatos
metálicos negros. Como resultado, puede tener un efecto desastroso en equipos eléctricos en
estaciones de bombeo o de las plantas de tratamiento. Los trabajos en metal, tales como
escaleras de acceso en hierro o tapas de hierro, a menos de que sean protegidas contra la
corrosión, serán destruidas por la exposición prolongada a los sulfuros de hidrógeno,
particularmente en condiciones húmedas. Incluso aceros galvanizados y anticorrosivos pueden
ser corroídos o semi afectados.
No obstante, es debido a la corrosión de los alcantarillados de concreto, los pozos, y los
morteros de cemento Pórtland, y los productos de la oxidación del H2S, que son más conocidos
los efectos de las condiciones de septicidad en el alcantarillado sanitario. Si la oxidación ocurre
y el H2S es disuelto en el alcantarillado, los productos son inofensivos. Para valores de pH
entre 6 y 7, la oxidación en el alcantarillado produce sulfuros, mientras que para valores más
altos de pH (entre 7 y 9), el H2S disuelto es oxidado en compuestos sulfúricos y finalmente en
sulfatos. Sin embargo, el H2S en atmósferas húmedas y cálidas en un alcantarillado por
gravedad o pozo de acceso, es oxidado y convertido en ácido sulfúrico debido a la presencia
de thiobacilli, bacterias que crecen exitosamente en las paredes expuestas de las superficies.
Los problemas asociados a corrosión (y olores) causados por la septicidad ocurren en
diferentes partes del mundo y particularmente en donde las temperaturas del alcantarillado son
muy altas. El colapso total de alcantarillas de concreto y asbesto – cemento con 8 años en
servicio se han dado en Sudáfrica, y algunas en concreto han fallado en tan solo 6 años en el
Medio Oriente. No obstante, los problemas se pueden dar en climas templados también.
En casi todos los casos citados en la literatura, el efecto de la septicidad es más serio
aguas abajo de las alcantarillas, en secciones donde se pueden acumular los restos de la
desintegración de los concretos y en circunstancias en las cuales se da excesiva turbulencia
debido a caídas, obstrucciones o sifones invertidos, que permiten el escape del H2S hacia la
atmósfera.
Los alcantarillados por gravedad deben de ser diseñados para garantizar que las
velocidades de auto limpieza sean mantenidas con tasas promedio de flujos y que los
escombros depositados cuando hay flujos menos veloces sean removidos para prevenir la
acumulación excesiva. Si estos escombros son retenidos en el alcantarillado por períodos
27
largos entre flujos pico, inevitablemente se dará como resultado la formación de sulfuros lo que
causará olores y problemas de corrosión. Una velocidad de auto limpieza de 0.75 m/s es
adecuada para mantener condiciones aeróbicas y esto previene la formación de sulfuros
debidos a la acumulación de escombros o escape de H2S en zonas de alta turbulencia.
Concluyendo, los fenómenos de septicidad en el alcantarillado sanitario se dan debido a
bajas pendientes, bajos consumos de agua potable, altas concentraciones de DBO, altas
cargas orgánicas, altas temperaturas y bajos pH, además de otros posibles factores.
1-6 Objetivo General
Evaluación física y análisis de las condiciones de septicidad presentes en el colector
María Aguilar del Alcantarillado Sanitario Metropolitano de la Ciudad de San José. Asimismo,
definir los problemas a los que puede llevar la presencia de una alta septicidad en la red.
1-7 Objetivos Específicos • Estudiar teóricamente los fenómenos que causan septicidad en el alcantarillado sanitario,
sus consecuencias y problemática.
• Analizar el comportamiento del Alcantarillado Sanitario y su reacción ante el fenómeno de
septicidad de aguas residuales.
• Describir el proceso de corrosión por sulfuro de hidrógeno (H2S) en el alcantarillado
sanitario.
• Analizar las características físico - químicas de las aguas del colector María Aguilar del
alcantarillado sanitario de la Ciudad de San José, mediante pruebas de laboratorio.
• Aplicar un modelo matemático para predecir las condiciones de septicidad y de corrosión
que se podrían estar dando en el Colector María Aguilar.
• Evaluar el estado físico y el funcionamiento del Colector María Aguilar del Alcantarillado
Metropolitano de San José y concluir si se están dando las condiciones de septicidad que
inducen al colapso del alcantarillado en algunos tramos.
• Proponer recomendaciones que minimicen el impacto negativo de las aguas residuales en
el Alcantarillado Sanitario.
28
1-8 Alcances y limitaciones del proyecto
El principal alcance que se puede esperar de este proyecto es obtener una evaluación
física del colector, una caracterización de las aguas residuales de este, así como predecir
matemáticamente el fenómeno de la corrosión que está asociado a las condiciones de septicidad.
El análisis de las muestras se realizará mediante pruebas de laboratorio y el muestreo será
compuesto. El agua residual utilizada para las pruebas de laboratorio habrá pasado previamente
por la red del alcantarillado sanitario y será tomada en un tramo del colector María Aguilar cercano
al final de este.
En cuanto a limitaciones están, las condiciones puestas por el AyA, por la Dirección de
Estudios y Proyectos, y principalmente a los análisis realizados por el Laboratorio Nacional de
Aguas.
Los resultados que se puedan obtener a partir de este estudio van a estar limitados por las
pruebas de laboratorio que se realicen antes y después del tratamiento propuesto. Estas pruebas
serán:
• DBO, DQO, COT
• pH
• Temperatura
• Nitritos, Nitratos, Nitrógeno amoniacal.
• Sólidos
• Cloruros
• Fósforo
• Grasas y aceites
1-9 Resumen de la justificación
El alcantarillado sanitario posee cantidades sustanciales de componentes orgánicos y es
debido a esta presencia que es de esperar una alta bio degradación. Cuando esta bio degradación
ocurre en situaciones particulares donde la cantidad de oxígeno disponible es limitada (el ejemplo
del alcantarillado sanitario), las condiciones sépticas tienden a desarrollarse. Como consecuencia
29
se da una utilización microbiana de formas combinadas de oxígeno, como es el caso de los
sulfatos. La reducción de los sulfatos, como resultado de la actividad de las bacterias reductoras
de sulfatos (BRS) bajo condiciones anaeróbicas y de pH particulares, el sulfuro de hidrógeno es
liberado a la atmósfera en forma de gas.
La acumulación de sulfuro de hidrógeno en un sistema colector de aguas residuales es un
problema común en distintos países. El sulfuro de hidrógeno, formado en las alcantarillas, es un
gas tóxico que consecuentemente puede contaminar los accesos, alcantarillados por gravedad y
los pozos húmedos de las subestaciones de bombeo. Adicionalmente, es corrosivo en metales y
puede llegar a ser oxidado en superficies húmedas en ácido sulfúrico, lo que causa destrucción en
el concreto y el refuerzo de este. El olor del sulfuro de hidrógeno es bastante fuerte y desagradable
incluso en concentraciones tan bajas como 0.01 ppm en la atmósfera.
1-10 Recursos disponibles
Para la realización de este proyecto se cuenta con la ayuda del Instituto Costarricense de
Acueductos y Alcantarillados a través de sus departamentos de Estudios y Proyectos y de
Alcantarillado Sanitario, así como del Laboratorio Nacional de Aguas. Adicionalmente se cuenta
con la ayuda de los profesores Ing. Freddy Bolaños e Ing. Napoleón Cruz de la Escuela de
Ingeniería Civil de la Universidad de Costa Rica.
En cuanto a la ayuda del Instituto Costarricense de Acueductos y Alcantarillados ( A y A ),
la dirección de Estudios y Proyectos brindó toda la ayuda posible a través de los Ing. Napoleón
Cruz, Ing. Luis Smith, Ing. José Antonio Navarro, Ing. Walter Ramírez y el señor Otto Ureña. En la
sección de mantenimiento del Alcantarillado Sanitario Metropolitano del AyA el Ing. Roberto Pérez
también brindó colaboración. Por último, en el Centro de Documentación de AyA las señoritas
Yanirée Moya D. y Lic. Elvira Guevara R. han proporcionado una ayuda muy valiosa para la
investigación de esta tesis.
30
Capítulo 2
Diagnóstico del Sector
En este capítulo se mencionarán los estudios que se han hecho en el país dirigidos a
estudiar el estado de sector agua potable y saneamiento. Entendiéndose por saneamiento los
métodos y recursos disponibles para deshacerse de las aguas residuales producidas en el
país. Para este proyecto de graduación es importante conocer que esfuerzos han sido
realizados en cuanto a Alcantarillado Sanitario, específicamente en cuanto a los estudios más
importantes que se han llevado a cabo para verificar el estado de los colectores y sus obras de
mejoramiento.
A finales de la década de los 80 se llevó a cabo el primero de los estudios más
importantes, el cual es conocido como PLAMAGAM. Una década más tarde se realizo un
segundo diagnóstico del sector, este estudio es conocido como el estudio de GEOTÉCNICA.
El último de los tres grandes estudios que se han hecho en el sector, es el correspondiente al
Análisis Sectorial de Agua Potable y Saneamiento en Costa Rica, llevado a cabo por la
Organización Panamericana de la Salud en el año 2002. A continuación se da un breve
resumen de los principales resultados encontrados en cada uno de estos estudios.
2-1 Plan Maestro de Saneamiento y Alcantarillado Sanitario de la Gran Área Metropolitana (PLAMAGAM), 1988
Acueductos y Alcantarillados y la compañía TAHAL Consulting Engineers Ltd.,
suscribieron un acuerdo para la prestación de servicios de consultoría para la ejecución del
Plan Maestro de Saneamiento y Alcantarillado Sanitario de la Gran Área Metropolitana de
Costa Rica. Los estudios del Plan Maestro se iniciaron en enero de 1989 y fueron concluidos
en un lapso de 12 meses.
El objetivo fundamental fue formular un programa técnico y económicamente viable,
orientado a resolver o atenuar la problemática de la contaminación ambiental provocada por
descargas de aguas negras en las principales cuencas receptoras de la cuenca del Río Grande
de Tárcoles en la que se asientan San José, la Capital y otros centros urbanos importantes.
Con ello se pretendió promover la regeneración y el aprovechamiento de dicha cuenca.
31
Asimismo, el estudio planteó las estrategias que debe aplicar el AyA para implementar los
proyectos recomendados por el Plan Maestro.
2-1-1 Situación del Alcantarillado Sanitario y el Sistema de Tratamiento de aguas negras municipales del Área Metropolitana antes del PLAMAGAM
El alcantarillado sanitario del área metropolitana contaba en 1988 con 101,265
conexiones, beneficiando alrededor de 466,000 personas4, lo cual representaba una cobertura
de aproximadamente 70% de la población total.
El área registra una pendiente general norte – sur, que luego deriva al sur – oeste y está
atravesada de este a oeste por cuatro ríos principales que refuerzan su caudal con los aportes
de riachuelos y quebradas, así como con descargas pluviales y de aguas negras provenientes
de las zonas pobladas del área.
Los ríos principales que cruzan el área son, por orden de norte a sur: Virilla, Torres,
María Aguilar y Tiribí, los cuales confluyen en los límites occidentales de la Gran Área
Metropolitana, para constituir el Río Grande de Tárcoles, que descarga en el Océano Pacífico.
Como es característico del régimen hidrológico de la Vertiente del Pacífico, estos ríos
disminuyen considerablemente su caudal durante la estación seca, lo cual prácticamente anula
su capacidad de dilución y reduce su función de asimilación de cargas contaminantes.
La red principal de recolección de aguas negras del Área Metropolitana, está constituida
por tuberías de diferente diámetro, que varía de 250 mm a 1370 mm, en PVC y concreto con
una longitud aproximada de 140 km.
La red principal está dividida en cuatro colectores principales, a saber:
- Colector Rivera - Colector Torres - Colector María Aguilar - Colector Tiribí
Además, existen varios subcolectores que descargan en cada uno de los mencionados
colectores de la siguiente manera:
4 Fuente: PLAMAGAM. Informe Final, Tomo I. TAHAL Consulting Engineers Ltd. Tel Aviv, Israel
32
Subcolectores que descargan en el Colector Rivera: - Subcolector Barreal - Subcolector San Blas - Subcolector Tibás - Subcolector Zetillal - Subcolector Los Colegios
Subcolectores que descargan en el Colector Torres: - Subcolector Saprissa - Subcolector Negritos - Subcolector Cangrejos - Subcolector Lantisco - Subcolector Siquiátrico
Subcolectores que descargan en el Colector María Aguilar:
- Subcolector Purruses - Subcolector Ocloro - Subcolector del Sur - Subcolector Las Arias - Subcolector Chile de Perro
Subcolectores que descargan en el Colector Tiribí:
- Subcolector Damas - Subcolector Cucubres
En el cuadro 2-1 se presenta la clasificación de la tubería de los colectores principales
del sistema existente del Alcantarillado Metropolitano, según diámetro.
Cuadro 2-1: Clasificación de la tubería de los colectores principales del sistema existente del
Alcantarillado Metropolitano, según diámetro. Tuberías Diámetro (mm)
Longitud 300 380 460 530 610 750 910 1070 1220 1370 Total (m)
Colector Tiribí (m)
1908 4135 2248 731 9022
Colector Rivera (m)
107 96 2347 1121 7992 11663
Colector Torres (m)
283 334 689 1559 3522 5802 12189
Colector M. Aguilar (m)
614 750 3423 1121 1438 3945 11291
Total (m) 897 1191 785 7329 5764 5802 11338 2248 731 44165
% de la longitud
total de la red
2%
2.7%
1.8%
16.6%
13.1%
13.1%
25.7%
18.3%
5.1%
1.7%
100.0%
Fuente: PLAMAGAM. Informe Final, Tomo I. TAHAL Consulting Engineers Ltd. Tel Aviv, Israel
33
2-1-2 Sistemas de tratamiento de las aguas negras
Dentro de los límites del Área Metropolitana, no existen sistemas de tratamiento de
aguas negras. Todo el volumen de éstas aguas se descarga en los ríos aguas abajo del área,
sin tratamiento previo, causando molestias ambientales y riesgos para la salud pública,
especialmente en colectores de aguas negras a cielo abierto.
2-1-3 Problemas detectados en la red existente
El estudio encontró que, existen ciertos problemas relacionados con el sistema
existente del alcantarillado sanitario en esa época, los cuales se detallan a continuación:
(i) Cobertura del sistema:
La cobertura del servicio de alcantarillado sanitario no es completa y existen muchos puntos
de descarga de aguas negras crudas en los ríos dentro de los límites de la ciudad, lo que
resulta en un nivel elevado de contaminantes de todos los ríos que atraviesan la zona
metropolitana.
(ii) Puentes destruidos:
Debido a las crecidas de diferentes ríos en el Área Metropolitana, se han destruido varios
puentes que conectan redes y subcolectores a los colectores principales, generando, de tal
forma, puntos adicionales de descarga de aguas negras en el sistema fluvial.
(iii) Estaciones de bombeo:
Dentro de los límites del Área Metropolitana están ubicadas varias estaciones de bombeo
de aguas negras, las cuales se encuentran fuera de operación debido a la falta de
mantenimiento.
2-1-4 Operación y mantenimiento del sistema de alcantarillado sanitario: La operación y mantenimiento del Alcantarillado Sanitario Metropolitano está a cargo del
Departamento de Distribución y Recolección del AyA, a través de su sección de alcantarillado.
Debido a la falta de personal y de equipo inadecuado, no se realiza un mantenimiento acorde
con la situación actual de los colectores del mismo.
34
2-1-5 Diagnóstico de los sistemas existentes e identificación de los problemas y las soluciones:
El diagnóstico de la situación en esa época, de los colectores y subcolectores del Área
Metropolitana, luego de haberse evaluado hidráulicamente, identificó para cada uno los tramos
con mayor dificultad de poder transportar mayores caudales y a la vez se identificaron las
soluciones para estos problemas.
El colector María Aguilar presenta tramos problemáticos y su solución era construir un
alivio en sus dos secciones principales, con diámetros de 70 y 80 cm, con una longitud
aproximada de 11900 m.5
Finalmente para los subcolectores también se realizó un diagnóstico hidráulico,
determinándose los tramos problemáticos de cada uno y las soluciones respectivas.
2-2 Estudio de Geotécnica
El Proyecto de los Estudios de Alcantarillado para la Gran Área Metropolitana de San
José – GAM - fue contratado por AyA, mediante fondos no reembolsables provenientes del
BID, con el fin de solucionar los problemas de recolección de aguas negras de los mayores
centros poblacionales involucrados en la GAM.
Hay que mencionar que ya existía un proyecto en este ámbito denominado Plan
Maestro de Alcantarillado Sanitario para la Gran Área Metropolitana - PLAMAGAM – el cual
desarrolla un estudio, presentando una solución única de tratamiento de las aguas negras de
toda la GAM. Ese Proyecto fue formulado bajo un marco político y poblacional diferente al
actual y su implementación en ese momento era muy compleja, porque se debía de involucrar
a todas las poblaciones del área del Proyecto y además los costos eran muy altos,
requiriéndose la inversión del 90% del monto total del proyecto en la primera etapa debido a
los altos costos de la construcción de los emisarios desde las ciudades hasta el sitio de planta
de tratamiento, ubicado al Oeste del Centro Penitenciario La Reforma bajo la responsabilidad
de apenas una Institución – AyA – con inversiones iniciales del orden de U.S.$ 180,000,000.00
(ciento y ochenta millones de dólares americanos).
5 Fuente: Instituto Costarricense de Acueductos y Alcantarillados. San José, Costa Rica
35
En vista de la dificultad de la implementación del proyecto presentado en el
PLAMAGAM, AyA solicitó el desarrollo de un proyecto más flexible en su implementación con
un cronograma de obras en etapas y que no se presentase con inversiones iniciales muy
elevadas.
Para desarrollar estos estudios fue contratada GEOTÉCNICA que empezó los trabajos
en agosto de 1997, haciendo un análisis y actualización de los proyectos presentados en el
PLAMAGAM así como un estudio de diagnóstico de la situación actual de los sistemas de
acueductos y alcantarillados bajo la responsabilidad del AyA.
Los estudios desarrollados tuvieron la asistencia de los técnicos de AyA, así como de
las Instituciones interesadas como la ESPH, responsable por los sistemas de Heredia.
En paralelo a los estudios de ingeniería fueron desarrollados los estudios preliminares
de medio ambiente y sus implicaciones con los sistemas de alcantarillado en los medios físico,
biótico y antrópico. Fue dado un énfasis a los estudios relativos a la contaminación y formas de
preservación para los acuíferos Barva y Colima que representan, actualmente, campos de
pozos, manantiales importantes en el suministro de agua potable de la GAM.
Basado en la situación actual de las poblaciones involucradas y en la realidad financiera
de las Instituciones, los estudios fueron desarrollados de forma tal que las soluciones se
presentasen en sistemas aislados o por lo menos agregados aquellos que se presenten técnica
y económicamente viables.
Casi la totalidad de las aguas negras generadas son lanzadas sin ningún tratamiento en
los cauces de los ríos de la GAM, causando la contaminación directa de los mismos, con todos
los efectos negativos ya conocidos como malos olores, enfermedades de origen hídrico,
contaminación visual, pérdidas o restricción de uso para recreación, riego, pesca, turismo, etc.
Además de los efectos causados directamente y detectados a corto plazo, es
importante mencionar a los efectos a largo plazo, de los cuales sobresale la contaminación de
los acuíferos, principalmente el Barva y el Colima, que actualmente son responsables por el
suministro de más del 50 % del agua potable de San José, en el caso de Colima, y de las
ciudades de Alajuela, Heredia y poblaciones aledañas, en el caso de Barva.
36
Todos estos efectos negativos causados por la contaminación de las aguas negras por
infiltración, en los suelos o sobre los cauces de los ríos, son importantes, siendo los más
preocupantes los que se refieren a la salud pública que pueden a largo plazo ocasionar una
epidemia generalizada con grandes gastos gubernamentales para su contención o la pérdida
irreversible de un bien natural de uso público como es el caso de los acuíferos.
2-3 Comparación del Programa de Muestreo del PLAMAGAM (TAHAL) y el de GEOTECNICA Los estudios de TAHAL y de GEOTÉCNIA tienen una separación de una década,
siendo el de TAHAL el primero en el año 1988 y el de GEOTÉCNIA de 1998.A continuación se
presentará un análisis comparativo de la calidad de las aguas superficiales, definida por el
programa de muestreo realizado en la época de PLAMAGAM y la definida por el programa
iniciado por AyA en enero de 1997.
Según PLAMAGAM, los problemas de la contaminación de las aguas en Costa Rica, en
general, y de la Cuenca del Río Grande de Tárcoles, en particular, han preocupado en forma
creciente a los distintos niveles del gobierno. En 1981 se implantó un programa para el control
efectivo de la contaminación del agua, el cual se llama Programa Nacional de Saneamiento
Ambiental, sin embargo, no se ha logrado un éxito apreciable hasta ahora.
Los principales problemas de contaminación de las aguas superficiales en la Cuenca
del Río Grande de Tárcoles, ubicados por PLAMAGAM, estaban constituidos por descargas de
materia orgánica y otros contaminantes provenientes de aguas negras domésticas, desechos
industriales, beneficios de café, aguas de drenaje de áreas agrícolas, basuras y residuos
sólidos lanzados en las márgenes de los ríos y quebradas.
La mayoría de las descargas de aguas negras domésticas eran lanzadas sin ningún
tratamiento previo, o con tratamiento sumamente deficiente, a los cuerpos receptores. Hoy, la
situación cambió y empeoró. La población de la cuenca creció y actualmente apenas tres
pequeñas estaciones de tratamiento de aguas domésticas están operando, dos de ellas en
Heredia (Real Santa María y los Lagos) y una en San José (Cipreses). Por otro lado, la
operación y el mantenimiento del alcantarillado sanitario es prácticamente inexistente.
Cuando se hizo el estudio de PLAMAGAM, las industrias y beneficios de café no
contaban con estaciones de tratamiento de efluentes, lanzaban todos sus contaminantes en los
37
cuerpos receptores, comprometiendo más sus calidades. Hoy, la actual legislación está
obligando a las industrias a tratar sus efluentes, pero son pocas las que están adecuadas a los
decretos. Sin embargo, a largo plazo esta situación debe mejorar cada vez más, contribuyendo
a una mejor calidad del agua en los ríos de la cuenca.
Las basuras lanzadas en las márgenes de los ríos de la cuenca, afectan los cuerpos
receptores por la acumulación de plásticos en la superficie del agua (efectos estéticos),
aumentando la demanda de oxígeno y la presencia de metales pesados, así como de otros
contaminantes.
En un estudio anterior se verificó un incremento de la erosión, debido al uso inadecuado
del suelo, cuyo resultado se traduce en un elevado aporte de sedimentos a los ríos y una gran
pérdida de suelos muy ricos para la agricultura local. Actualmente, agravando este efecto,
existe un gran aporte de plaguicidas a las aguas superficiales, resultado del uso de una manera
indiscriminada, casi sin ningún control. Las aguas de drenaje de áreas agrícolas contribuyen
también con la presencia de nutrientes (nitrógeno y fósforo) provenientes del uso de abono
para mejorar la fertilización de los suelos.
El estudio de TAHAL verificó que los ríos Bermúdez, Ocloro, María Aguilar y Tiribí, entre
otros, estaban en condiciones deplorables durante todo el año. En otros ríos, como Ciruelas,
Segundo y Quebrada Rivera, las condiciones se agravaban durante la época seca, cuando sus
caudales disminuyen considerablemente y el fenómeno de dilución de los contaminantes en el
flujo básico de los ríos no es suficiente.
En el estudio realizado por PLAMAGAM, en 1990, se tomaron muchas consideraciones,
en vista de la falta de datos ideales. En los análisis del agua realizados por el programa de
muestreo utilizado por PLAMAGAM, no fueron medidos los caudales así como otros
parámetros importantes, como nitrógeno, fósforo y metales pesados. Fue realizado un estudio
de caudales por separado, con base en registros hidrológicos disponibles en el ICE, pero no
fue posible realizar un estudio de cargas contaminantes en los cuerpos receptores. Los valores
de nitrógeno y fósforo, así como para metales pesados fueron obtenidos de otros estudios, con
informaciones correspondientes a otros periodos.
38
2-3-1 Fuentes contaminantes
Entre las principales fuentes de contaminación del agua de los cuerpos receptores de la
cuenca del Río Grande de Tárcoles están la ocupación urbana y rural, con la generación de
aguas negras y desechos sólidos; las industrias, con la generación de desechos líquidos y
sólidos; y el uso del suelo rural, ya sea para cultivos o para actividad pecuaria, con generación
de desechos líquidos y sólidos.
A continuación se presentará la descripción de las principales fuentes contaminantes en
la cuenca del Río Grande de Tárcoles, del cual la subcuenca María Aguilar forma parte.
2-3-1-1 Aguas Negras
Las aguas negras son oriundas de los domicilios, así como de las actividades
comerciales y las instituciones; componentes normales de una localidad. Las aguas residuales
domésticas contienen aproximadamente 99.9% de agua. La parte restante incluye sólidos
orgánicos e inorgánicos, suspendidos y disueltos, así como microorganismos.
Las aguas negras tienen algunas características, como:
• La temperatura es ligeramente superior a la del agua de abastecimiento, con
variaciones en función del año. La temperatura influye en la actividad de los microbios,
en los procesos biológicos involucrados en las estaciones de tratamiento, con influencia
en la solubilidad de los gases y en la viscosidad del líquido. El color y el olor de las
aguas residuales cambian en función de su estado de degradación (tiempo).
• La turbiedad en las aguas negras es relacionada con la presencia de una gran variedad
de sólidos en suspensión. Aguas negras más concentradas o más frescas
generalmente tienen más turbiedad.
• La materia orgánica biodegradable encontrada en las aguas residuales es compuesta
de proteínas, carbohidratos y lípidos. Esta materia orgánica sufre transformaciones en
el transporte (por las tuberías), con presencia de bacterias aeróbicas y anaerobias, con
liberación de energía, producción de nuevas bacterias y productos mineralizados.
Existe la formación de agua, gas carbónico, gas sulfúrico y ácidos orgánicos,
dependiendo del tipo de bacteria que esté procesando la transformación.
39
• Las aguas residuales poseen concentraciones substanciales de nitrógeno y fósforo. El
nitrógeno es un componente de gran importancia en cuanto a generación y el propio
control de la polución de las aguas. El nitrógeno es un elemento indispensable para el
crecimiento de las algas. La transformación de amonio en nitrito y este a nitrato implica
en consumo de oxígeno disuelto en los cuerpos receptores. El nitrógeno, en la forma
de nitrato, está asociado a enfermedades, como la metahemoglobinemia. El nitrógeno
es un elemento indispensable para el crecimiento de los microorganismos responsables
por el tratamiento de las aguas negras. El amonio, en un pH inferior a 8 (cerca de la
neutralidad), se encuentra predominantemente en la forma ionizada (NH4+). Esa forma
de amonio es muy tóxica para los peces, aún en bajas concentraciones.
• El fósforo presente en al agua es encontrado en tres formas principales: ortofosfatos,
polifosfatos y fósforo orgánico. Los ortofosfatos son directamente utilizados para el
metabolismo biológico, sin necesidad de conversiones en formas más simples. Las
fuentes de ortofosfatos consideradas para esta fuente son detergentes y aguas negras.
Los polifosfatos son moléculas más complejas, se transforman en ortofosfatos por
hidrólisis, que normalmente es una transformación lenta. El fósforo orgánico representa
cerca de 20% del fósforo presente en las aguas residuales.
• Las aguas negras tienen una gran concentración de organismos patógenos, esta
detección es realizada por los coliformes fecales. Los coliformes fecales se encuentran
en gran número solamente en los excrementos humanos y de animales de sangre
caliente, por eso es grande su presencia en las aguas negras.
Son muchas las descargas de aguas negras actualmente en la GAM, con los ríos
sirviendo de canales a cielo abierto para transporte y dilución de los vertidos de la ocupación
urbana de la región, más los desechos industriales.
Los principales desechos ocurren en los colectores María Aguilar, Tiribí, Rivera y
Torres. El colector María Aguilar descarga en la confluencia del Río Tiribí; el colector Tiribí
descarga también junto a la confluencia del Río Tiribí con María Aguilar, y la descarga del
colector Rivera y Torres ocurre en la confluencia del Río Torres y Tiribí. Además existen
muchas conexiones clandestinas de descargas de aguas pluviales en el alcantarillado y
conexiones de aguas negras en el alcantarillado pluvial.
40
2-3-1-2 Contribuciones Industriales
Los vertidos industriales presentan una amplia variabilidad en sus características
cualitativas, lo que dificulta la generalización de sus valores más comunes.
En cuanto al tratamiento biológico, los vertidos industriales tienen importancia según los
siguientes aspectos: biodegradabilidad, tratabilidad, concentración de materia orgánica,
disponibilidad de nutrientes y toxicidad.
Los vertidos industriales lanzados en el cuerpo receptor, principalmente los que fluyen
para los colectores del alcantarillado sanitario, deben tener la capacidad de biodegradarse, o
sea, la capacidad de que los microorganismos los puedan estabilizar (por procesos
bioquímicos). Estos vertidos deben ser de fácil tratabilidad en los procesos. Los desechos
industriales poseen una carga orgánica mayor que las aguas negras (desechos
predominantemente orgánicos), o una carga orgánica inferior (desechos no
predominantemente orgánicos, en que su capacidad de provocar polución se expresa en otros
parámetros). La disponibilidad de nutrientes es exigida por los tratamientos biológicos, que
exigen una relación relativamente constante entre carbono, nitrógeno y fósforo (C:N:F). Este
equilibrio normalmente existe en los desechos domésticos. Determinados desechos
industriales contienen constituyentes tóxicos o inhibidores, que pueden afectar negativamente
el tratamiento biológico.
Las características de los vertidos industriales cambian con el tipo de industria y con el
proceso utilizado.
Una de las fuentes de contaminación más significativa en centros urbanos es la
actividad industrial. En Costa Rica, precisamente en la cuenca del Río Grande de Tárcoles,
una rama de procesamiento industrial se destaca de la actividad normal: el beneficio de café.
Sin duda, es una actividad muy contaminante, contribuyendo con gran parte de la
contaminación de diversos ríos de esta cuenca.
A pesar de que la legislación actual está exigiendo el tratamiento de los vertidos
industriales, la mayoría de las industrias aún no tienen siquiera tratamiento primario en sus
instalaciones. Esta situación deberá cambiar, ya que las instituciones legales están haciendo
una fiscalización en las industrias. En relación con los esfuerzos realizados para implementar
41
las estaciones de tratamiento, el caso de los beneficios de café no es diferente, ya que son
pocos los que tienen una estación completa, y muchos están sin tratamiento primario.
El Cuadro 2-2 presenta algunos datos de efluentes de algunas fuentes contaminantes
de la cuenca del Río Grande de Tárcoles. Estos datos fueron obtenidos en el Ministerio de
Salud.
Cuadro 2-2: Datos de efluentes de fuentes contaminantes
- Cuenca del Río Grande de Tárcoles
NOMBRE DBO5 DQO SST ST Ssed SDT N G&A PH Cr Unidad mg/l mg/l mg/l mg/l ml/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l
Beneficio de Café 5183 5574 2001 0 Beneficio de Café 6130 Beneficio de Café 300 240 1650 0,6 8,2 Urbanización 80 158 0,1 9 Urbanización 5 8,4 5 216 0,1 4 Granja 5600 11250 0,42 Industria de Fertilizante 2106 1431 9,3 Zona Franca 5,7 25 28 338 310 6,8 Industria Láctea 31 125 70 860 0,1 1790 16 8,3 Industria Alimenticia 1150 2100 80 3720 0,2 3640 24 7,2 Industria de Bebidas 650 858 873 1812 900 13,2 7,5 Industria Cerámica 51 84 10472 10882 33 410 27 7,5 Tenería 6 40 50 4670 0,5 10 6 0,8 Matadero 590 930 480 1250 80 90 7,3
Fuente: Ministerio de Salud, 1997.
Para la estimación de las cargas generadas por la actividad industrial, GEOTÉCNICA
consideró las cargas estimadas por PLAMAGAM, multiplicadas por un factor relacionado con el
incremento de la producción industrial entre el período que transcurrió entre el cálculo anterior y
el cálculo actual. El Cuadro #2-3 presenta las cargas de contaminantes por región, generadas
por las industrias en la cuenca del Río Grande de Tárcoles.
42
Cuadro 2-3: Cargas de contaminantes generadas por las industrias por región – Cuenca del Río Grande de Tárcoles
Región Carga Generada (t/año) (1997) DBO5 Nitrógeno Colif. Fecales* ST
1 9.176,1 380,30 3,51x1017 16.063,70 2 11.547,97 686,51 9,59x1016 22.988,70 3 19.184,60 1.076,90 5,53x1016 34.945,20 4 - - - - 5 - - - -
Fuente: Estudio de Geotécnica, AyA.
La contribución industrial es muy fuerte en la región 3, evidenciada por la DBO, en que
las contribuciones industriales son prácticamente provenientes de los beneficios de café. La
región 2, es la segunda región mas influenciada por la DBO, seguida por la región 1. En cuanto
a nitrógeno, la región 3 es la que produce más contaminación, seguida de la región 2. Los
coliformes fecales tienen la región 1 con la mayor contribución, seguida de la región 2 y 3. Para
sólidos totales, la región 3 presenta la mayor contribución, seguida por la región 2. Las regiones
4 y 5 no cuentan con contribución industrial.
2-4 Estudio Sectorial de Agua Potable y Saneamiento en Costa Rica
La Organización Panamericana de la Salud, organismo regional para las Américas de la
Organización Mundial de la Salud (OPS/OMS), concientes de la importancia de los servicios de
agua potable y saneamiento en los países del continente americano, para proveer salud e
incentivar el desarrollo, promovió la realización de estudios del sector de agua potable y
saneamiento en los países de la región latinoamericana. Con este objetivo, a inicios de la
década de los 90 se inició la elaboración de “Análisis Sectoriales de Agua Potable y
Saneamiento” en varios países, habiéndose completado a la fecha 18 estudios, el último de los
cuales (año 2002) correspondió a Costa Rica.
Para el caso de Costa Rica esta iniciativa encontró terreno fértil para su realización,
considerando que hasta esa fecha, el sector de agua potable y saneamiento carecía de un
estudio integral que le permitiera visualizar el desarrollo del sector en el largo plazo. De esta
manera el Instituto Costarricense de Acueductos y Alcantarillados (AyA) acogió la propuesta y
lideró el proceso, para lo cual en el mes de abril del 2001 convocó a instituciones afines al
sector a una primera reunión, que resultó en el compromiso e involucramiento de todas ellas.
43
De esta forma, en el período de mayo del 2001 a abril del 2002 un grupo de profesionales
nacionales desarrolló el estudio con el apoyo de un equipo de consultores nacionales y
extranjeros, proceso que contó con el financiamiento integral de forma conjunta entre AyA y
OPS/OMS. El Análisis Sectorial es a su vez uno de los resultados del Segundo Proyecto de
Agua Potable y Alcantarillado Sanitario financiado por el BID.
Costa Rica se ha distinguido dentro los países de la Región por gozar de altas
coberturas de abastecimiento de agua y servicios de saneamiento, sin embargo a partir del
PLAMAGAM y Geotécnica se encontraron deficiencias en la calidad de la prestación de los
servicios, organización, duplicidad de funciones, ausencia de planificación e insuficiente
inversión para garantizar en el largo plazo la sostenibilidad de las coberturas.
Ante esta situación, el equipo de trabajo estudió diferentes escenarios en un horizonte
de 20 años, para generar propuestas de solución que comprenden aspectos institucionales y
de participación de la iniciativa privada, legales y de regulación, técnicos y de gestión,
económicos y financieros, de salud y ambiente, de participación comunitaria y de gestión
municipal.
El Análisis Sectorial recomendó la amplia discusión en el ámbito político y técnico de las
soluciones propuestas y la toma de las decisiones que promuevan la reforma, modernización y
desarrollo del sector. En este sentido, se propuso un “Plan de Acción” de corto plazo para la
iniciación de la primera fase de implementación del Análisis Sectorial, que contempló medidas
para la reorganización institucional, planificación y acciones de carácter operativo urgentes
para preparar las medidas de fondo que direccionan al sector al alcance de sus metas.
2-4-1 Situación actual en Costa Rica
En materia de suministro de agua, el país se ha distinguido por la alta cobertura de la
población con el servicio, en el año 2000 un 97% de la población total se abastece de agua por
medio de una tubería, porcentaje que se reduce al 89% si se considera la población abastecida
mediante un acueducto. Los servicios de saneamiento cubren casi la totalidad del país,
alcanzando al 98% de la población mediante algún sistema de disposición de los desechos
líquidos. De igual forma que en el caso del agua, este porcentaje se reduce al 60% si se
considera que la población urbana actualmente servida con tanques sépticos debería disponer
44
de un sistema de alcantarillado sanitario. Las coberturas del 89% en agua y 60% en
saneamiento son los datos básicos para efectos de planificación de las inversiones.
2-4-2 Población y Cobertura de Servicios En el Cuadro 2-4 se indica la población del país y su composición para el año 2000. Se
observa que Costa Rica tenía una población de 3.81 millones de habitantes, 59% de ellos
urbanos y el 41% complementario rurales. Al AyA le corresponde atender en la actualidad
directamente al 50% de la población del país (38% urbana y 12% rural), mientras que el otro
50% está atendido por la Municipalidades y las ASADAS o CAARS en el área rural.
Cuadro 2-4: Población Total de Costa Rica – año 2000
Área Población (miles de habitantes) Porcentaje
Área Urbana AyA Municipalidades
1,442 807
38 21
Sub Total Urbano 2,249 59 Área Rural AyA ASADAS Y CAARS
441
1,120
12 29
Subtotal Rural 1,561 41 Total País 3,810 100
Fuente: Instituto Nacional de Estadística y Censos (INEC), Censo 2000 Las coberturas de los servicios de agua potable y saneamiento se presentan en el
Cuadro 2-5.
Cuadro 2-5: Coberturas con Servicios de Agua Potable y Saneamiento – Año 2000
Área Servicio Población Servida (miles Hab.)
% Cobertura
Agua Potable 1,420 98.0 Área Urbana AyA Saneamiento 673 45.0
Agua Potable 795 98.0 Área Urbana Municipalidades Saneamiento 88 12.0
Agua Potable 2,215 98.5 Sub Total Área Urbana Saneamiento 761 34.0 Agua Potable 333 75.0 Área Rural
AyA Saneamiento 429 97.0 Agua Potable 844 75.0 Área Rural
ASADAS y CAARS Saneamiento 1,090 97.0 Agua Potable 1,177 75.4 Sub Total Área Rural Saneamiento 1,519 97.0 Agua Potable 3,392 89.0 Total País Saneamiento 2,280 60.0
Fuente: Instituto Nacional de Estadística y Censos (INEC), Censo 2000
45
A nivel Urbano, la cobertura con agua es alta, del 98.5% y con alcantarillado sanitario es
solo del 34%. A nivel rural la cobertura con agua potable es de 75.4% y con servicios de
saneamiento (tanque séptico o letrina) del 97%. De las cifras anteriores, se infiere que Costa
Rica dispone de altas coberturas con agua y servicios de saneamiento rural y bajas coberturas
con alcantarillado sanitario en el área urbana, significando en principio que si el país pretende
nivelar las coberturas de agua potable y alcantarillado sanitario, deberá prepararse para
importantes inversiones en el área urbana.
El 96% de las aguas residuales urbanas recolectados por los alcantarillados sanitarios
se están disponiendo en los ríos, sin ningún tratamiento. Dos de las principales cuencas del
país, las de los Ríos Tárcoles y Reventazón, donde se asienta casi el 70% de la población del
país reciben las aguas residuales sin tratar de las ciudades de San José, Heredia, Alajuela y
Cartago.
Como se indicó en el Cuadro #2-4, Costa Rica tenía una población total de 3,81
millones de habitantes en junio del año 2000, correspondiendo un 59% a la población urbana y
el 41% complementario a la población rural.
Considerando las áreas en que administra actualmente los servicios directamente, a
AyA le corresponde atender aproximadamente al 50% de la población del país (37.9% urbana y
11.6 % rural), mientras que el otro 50% debe ser atendido por las municipalidades, la ESPH
S.A., operadores privados y las ASADAS/CAARs. Existe un 10.6% de la población total del país
que no se abastece de agua por medio de sistemas públicos de abastecimiento de agua
(acueductos).
Cuadro 2-6: Población total - Año 2000
Área Población (miles de
Hab.)
Porcentaje (respecto a la
población total) Área Urbana Área Cobertura AyA Área Cobertura Municipalidades / ESPH
1,442 807
37.9 21.2
Subtotal Área Urbana 2,249 59.0 Área Rural Área Cobertura AyA Área Cobertura Municipalidades, ESPH, ASADAS / CAARS y Privados
441
1,120
11.6
29.4
Subtotal Área Rural 1,561 41.0 Total País 3,810 100.0
Fuente: Análisis Sectorial de Agua Potable y Saneamiento, OPS, 2002
46
En el Cuadro 2-7 se muestran los datos de la evolución de las coberturas de los
servicios de saneamiento para todo el país, desglosados para el área urbana y el área rural,
según los resultados de los últimos cuatro Censos Nacionales de Población y Vivienda que se
realizaron en los años 1963, 1973, 1984 y 2000.
Cuadro 2-7: Evolución de las coberturas de servicios de saneamiento
Cobertura Año Disposición de excretas: Total
País Área
Urbana Área Rural
1963 Alcantarillado Sanitario o Tanque Séptico Letrina Sanitaria Alcantarillado Sanitario, tanque séptico o letrina
27.0 46.2 73.2
62.1 35.0 97.1
8.7 52.1 60.8
1973 Alcantarillado Sanitario o Tanque Séptico Letrina Sanitaria Alcantarillado Sanitario, tanque séptico o letrina
41.4 46.7 88.1
75.4 23.1 98.5
18.2 62.9 81.1
1984 Alcantarillado Sanitario o Tanque Séptico Letrina Sanitaria Alcantarillado Sanitario, tanque séptico o letrina
64.2 31.9 96.1
90.8 8.1
98.9
42.9 50.9 93.8
2000 Tubería dentro de la vivienda Tubería fuera de la vivienda Tubería
89.4 8.6
98.0
96.3 2.2
98.5
79.0 18.4 97.4
Fuente: a) MIDEPLAN “Principales Indicadores Sociales de Costa Rica”. 1997. con base en los Censos Nacionales de Población y Vivienda de 1963, 1973 y 1984. b) INEC “Resumen Censo 2000 – Resultados Generales”, 2001.
Durante el período 1963–2000, la disposición de excretas utilizando los sistemas de
alcantarillado sanitario o tanques sépticos mostró un crecimiento desde un 27,0% en 1963
hasta un 89,4% en el año 2000, que básicamente se debe a que una gran porción de la
población rural ha adoptado la solución de tanque séptico para la disposición de las excretas de
sus viviendas. El 10,6% de la población total del país que no utiliza los sistemas de
alcantarillado sanitario o tanques sépticos para la disposición de excretas se encuentra
distribuido de la siguiente manera: 2,3% en el área urbana156 y 8,3% en el área rural167.
Con base en los datos suministrados por los operadores de los servicios, se estima que
la población servida por conexiones intradomiciliarias de alcantarillado sanitario es de
aproximadamente 805 mil habitantes, lo que representa una cobertura con respecto a la
población total del país del 21,1% que se considera muy baja, por lo que debe ser una meta del
SAPS incrementarla en el futuro. En complemento, se estima que el 68,3% de la población del
6 Equivalente a aproximadamente 86 mil personas. Fuente: ASAPS, 2002 7 Equivalente a aproximadamente 317 mil personas. Fuente: ASAPS, 2002
47
país utiliza sistemas individuales a través de tanques sépticos e infiltración en el terreno (con
uso de agua) y el 10,6% otros sistemas, estos generalmente en zonas rurales.
Con respecto a los tanques sépticos pueden constituir una buena solución, siempre y
cuando se cumplan una serie de condiciones que tienen que ver con la capacidad de infiltración
de los suelos y el nivel de la capa freática (al respecto existen normas de AyA). Sin embargo, lo
esencial es que este tipo de instalaciones no contamine los acuíferos, como ocurre con el
situado en el AMSJ, que puede derivar en problemas que afecten la calidad del agua para
consumo humano, por lo que es necesario un monitoreo programado, sistemático y
permanente de la calidad de los mismos y la determinación de las posibles zonas críticas.
En conclusión, como se observa en el Cuadro 2-8, en materia de suministro de agua, el
país tiene una alta cobertura de la población con el servicio. En el año 2000 un 97.1% de las
viviendas ocupadas se abastecía de agua por medio de una tubería (dentro de la vivienda,
fuera de la vivienda, o fuera del lote o edificio), porcentaje que se reduce al 89.4% si se
consideran solamente las viviendas abastecidas mediante un sistema de acueducto como se
indicó anteriormente.
Los servicios de saneamiento cubren casi la totalidad del país, alcanzando al 98% de la
población mediante algún sistema de disposición de los desechos líquidos. De igual forma que
en el caso del agua, este porcentaje se reduce al 59.9% si se considera que la población
urbana actualmente servida con tanques sépticos debería disponer de un sistema de
alcantarillado sanitario. Las coberturas del 89.4% en agua y 59.9% en saneamiento son los
datos básicos para efectos de planificación de las inversiones que se utilizan en este análisis.
Cuadro 2-8: Coberturas con servicios de agua para consumo humano y saneamiento – Año 2000
Cobertura (%)
Área Población (Miles Hab.) % Agua por
Tubería Saneamiento Agua por Acueducto
Alcantarillado Sanitario Urbano y
Saneamiento Rural
Urbana 2,249 59 99.7 98.5 98.5 33.8 Rural 1,561 41 92.9 97.3 75.4 97.3 Total 3,810 100 97.0 98.0 89.4 59.9
Fuente: ASAPS, 2002 El detalle de las coberturas de los servicios de agua potable y saneamiento
consideradas para efectos de Planificación, se presentan en el Cuadro 2-9. Como puede
48
observarse, para el caso del agua, se consideran las coberturas por medio del servicio con
acueducto, en razón de que se pretende cubrir a la población con sistemas de agua tratada y
potable; para el caso de saneamiento, se pretende prestar el servicio por medio de
alcantarillado sanitario en las áreas urbanas extendiendo este servicio a quienes no lo tengan o
reemplazando los tanques sépticos por red de alcantarillado. En el área rural se considera que
el saneamiento, como se hace en la actualidad, por medio de tanques sépticos o letrinas, es
adecuado.
Cuadro 2-9: Coberturas con servicios de agua(1) y saneamiento - Año 2000
Área Servicio Población Servida (miles de Hab.)
% Cobertura
Área Urbana AyA
Acueducto Alcantarillado Sanitario
1,420 673
98.5 46.7
Área Urbana Municipalidades
Acueducto Alcantarillado Sanitario
795 88
98.5 10.9
Sub Total Área Urbana Acueducto Alcantarillado Sanitario
2,215 761
98.5 33.8
Área Rural AyA
Acueducto Saneamiento
332 428
75.4 97.2
Área Rural ASADAS y CAARs
Acueducto Saneamiento
845 1,091
75.4 97.4
Sub Total Área Rural Acueducto Saneamiento
1,177 1,519
75.4 97.3
Total País Acueducto Alcantarillado Sanitario Urbano y Saneamiento Rural
3,392
2,281
89.0
59.9 (1) Solamente se considera la población que tiene la disponibilidad de agua mediante conexión a sistemas
públicos de abastecimiento o acueductos.
Fuente: ASAPS 2002
Según los datos del Cuadro 2-8 y del Cuadro 2-9, en las áreas donde AyA brinda
directamente los servicios (en donde se ubica el 50% de la población del país), la disponibilidad
de servicio de agua mediante conexión a sistemas públicos de abastecimiento o acueductos
cubre al 93.1% de la población, y la disposición de excretas y desechos líquidos mediante el
uso de sistemas de alcantarillado sanitario cubre al 46.7% de la población urbana. En las áreas
donde las Municipalidades (la ESPH S.A.), los CAARs y las ASADAS son los responsables por
la prestación de los servicios, la disponibilidad de servicio de agua mediante conexión a
sistemas públicos de abastecimiento o acueductos cubre al 85.1% de la población, y la
disposición de excretas y desechos líquidos mediante el uso de sistemas de alcantarillado
sanitario cubre solamente al 10.9% de la población urbana que se ubica en estas áreas.
49
De acuerdo con los datos del Cuadro 2-9, en el país al nivel urbano, la cobertura con
agua mediante sistemas de abastecimiento público o acueductos es alta, del 98.5% y con
alcantarillado sanitario es solo del 33.8%. Al nivel rural, la cobertura con agua mediante
conexión a acueductos es del 75.4% y con servicios de saneamiento (tanque séptico o letrina)
del 97.3%. De las cifras anteriores, se deduce que Costa Rica tiene altas coberturas con agua
mediante sistemas de abastecimiento público o acueductos en las áreas urbana y rural, y con
servicios de saneamiento en el área rural, y bajas coberturas con alcantarillado sanitario en el
área urbana, significando en principio que si el país pretende nivelar las coberturas de agua y
alcantarillado sanitario, deberá prepararse para importantes inversiones en el área urbana.
El 96% de las aguas residuales urbanas recolectadas por los alcantarillados sanitarios
se está disponiendo en los ríos, sin ningún tratamiento. Dos de las principales cuencas del
país, las de los Ríos Grande de Tárcoles y Reventazón, donde se asienta el 70% de la
población del país reciben las aguas residuales sin tratar de las ciudades de San José,
Heredia, Alajuela y Cartago.
50
Capítulo 3
Marco Teórico 3-1 Pruebas a las aguas residuales
3.1.1 Aspectos básicos sobre muestreo y análisis
Los programas de muestreo se desarrollan por varias razones; control de un proceso,
diseño de un nuevo sistema, evaluación de eficiencia de una instalación o equipo de
tratamiento, u otros. Sin importar la razón, lo que se busca es la caracterización de una masa
de agua.
Para lograr ese objetivo, el muestreo debe de cumplir con una serie de requisitos como:
• Ser representativo del agua en interés, para ello se debe de elegir el lugar y la
frecuencia adecuada.
• Brindar datos reproducibles si se siguen exactamente los mismos procedimientos.
• Ser útil, de forma que permita obtener los datos requeridos para el análisis.
Los muestreos deben de adaptarse a cada situación en particular. Estos pueden
llevarse a cabo por extracción directa (manual) o con muestreadores automáticos mediante uso
de bombas. Además, puede ser simple o compuesto. En el caso del muestreo simple, sólo se
toma una muestra, por lo que representará la concentración de constituyentes en el agua en
ese momento. Por otra parte, en los muestreos compuestos, se mezclan una serie de
muestras simples tomadas con una frecuencia previamente establecida durante cierto periodo
de tiempo y en un mismo punto. Es útil para caracterizar las aguas residuales.
3.1.2 Parámetros físicos
3.1.2.1. Temperatura del agua La temperatura del agua es un importante parámetro físico para determinar su calidad.
La temperatura tiene influencia sobre las tasas de actividad química y biológica del agua. La
51
tensión superficial es afectada, influyendo en las tasas de transferencia de oxígeno entre el
medio líquido y la atmósfera. Esto produce una alteración en los valores de saturación de
sólidos y gases, dándose el efecto principal sobre la saturación del oxígeno. Las elevaciones
de temperatura aumentan la tasa de transferencia de gases, lo que puede ocasionar malos
olores.
3.1.2.2. Turbiedad El grado de turbiedad es normalmente causado por la presencia de diferentes niveles
de materia sólida suspendida, como arcilla, sedimentos, materia orgánica muy dividida,
plancton y otros organismos microscópicos, no pudiendo ser relacionada directamente con la
materia orgánica de la muestra.
Las aguas residuales normalmente tienen gran turbiedad, ya que están cargadas de
materiales en suspensión.
La turbiedad es significativa en las aguas de los ríos situados en las zonas de influencia
de áreas con suelos erosionados, deforestación, pastoreo intensivo o inadecuadas prácticas de
cultivo. Después de precipitaciones de alta intensidad, se verifica un gran aumento en los
niveles de la turbiedad en los rios.
3.1.2.3 Color El término color (verdadero) significa el color del líquido del cual se ha retirado la
turbiedad. Los constituyentes responsables por este parámetro son los sólidos disueltos.
Ciertos productos de desecho alteran profundamente el color natural de las aguas. Este
parámetro tiene como origen natural la descomposición de la materia orgánica, principalmente
los vegetales; además, el hierro y el manganeso también contribuyen. De origen antropogénico,
se tiene las industrias, como las de tintorería, tenerías y producción de papel; las aguas negras
también contribuyen para el incremento del color.
3.1.2.4 Sólidos totales y sólidos suspendidos Sólidos totales es un término aplicado al residuo de la evaporación de la muestra,
después de un secado en estufa. Los sólidos totales son un importante índice de la
52
concentración de los principales constituyentes del agua analizada. Los sólidos suspendidos es
la parte residual técnica de la muestra después de una filtración.
3.1.3 Parámetros químicos
3.1.3.1 Oxígeno Disuelto (OD) El oxígeno disuelto (OD) es un parámetro importante, utilizado como criterio para
determinar el nivel de contaminación orgánica del agua de los ríos; está directamente
relacionado con las pendientes y condiciones de aireación del curso del río.
La concentración del OD depende de la combinación de varios parámetros: la
concentración de DBO5, la concentración de amoníaco y del nivel de aireación natural. En la
parte alta y media de la cuenca, donde las tasas de aeración son elevadas, sucede a veces
que, además de las elevadas cargas de contaminación orgánica y nitrogenada, el OD es
relativamente alto.
En medio aeróbico, con el consumo de una cierta cantidad de oxígeno, la
transformación de la materia orgánica conduce a una mineralización más o menos completa,
con los siguientes productos principales finales: agua, gas carbónico, nitratos y fosfatos.
3.1.3.2 Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) La materia orgánica presente en los cuerpos de agua es una característica de mucha
importancia, siendo el principal problema de contaminación de las aguas. Los materiales
orgánicos contenidos en las aguas son muy diversos en cuanto a su naturaleza química. Los
principales componentes orgánicos son los compuestos de proteína, los carbohidratos, la
grasa, así como la urea, surfactantes, fenoles, plaguicidas y otros en menor cantidad. La
materia carbonácea se divide en biodegradable (en suspensión y disuelta) y no biodegradable
(en suspensión y disuelta).
La dependencia del OD con el amoníaco resulta del proceso de nitrificación que
convierte el amoníaco en nitrato, utilizando el oxígeno como fuente de energía para los
procesos. De tal forma, el amoníaco (también el nitrógeno orgánico que puede transformarse
53
en amoníaco), es un consumidor de oxígeno y se denomina DBON (Demanda Bioquímica de
Oxígeno Nitrogenada).
La Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5) mide el consumo de oxígeno debido a la
demanda nitrogenada y a la demanda carbonada. Normalmente la demanda de oxígeno ocurre
primero por la descomposición de los materiales bicarbonatos y después por la nitrificación.
3.1.3.3 Demanda Química de Oxígeno La prueba de determinación de la DQO mide el consumo de oxígeno ocurrido durante la
oxidación química de la materia orgánica. El valor obtenido es un indicador indirecto de la
concentración de materia orgánica presente.
La principal diferencia con relación a la prueba de la DBO5 es que la DBO5 mide la
oxidación bioquímica de la materia orgánica, realizada por los microorganismos, y la DQO mide
la oxidación química de la materia orgánica, obtenida a través de un fuerte oxidante en medio
ácido.
3.1.3.4 Carbono Orgánico Total (COT) Para medir la materia orgánica presente en el agua también se utiliza el método de la
determinación del carbono orgánico total (COT), que es más aplicado para pequeñas
concentraciones de materia orgánica. En esta prueba, el carbono orgánico es medido
directamente. La prueba mide todo el carbono liberado como CO2.
3.1.3.5 Nitrógeno El nitrógeno se presenta en varias formas y estados de oxidación dentro de su ciclo. En
el medio acuático, el nitrógeno puede ser encontrado en las siguientes formas: nitrógeno
molecular (N2), escapando para la atmósfera, nitrógeno orgánico (disuelto o en suspensión);
amonio; nitrito (NO2-) y nitrato (NO3
-). El nitrógeno en la forma de nitrato es asociado a
crecimiento de algas y cuando se encuentra en elevadas concentraciones en lagos y represas,
puede conducir a un crecimiento exagerado de estos organismos (proceso de eutrificación). El
nitrógeno, en los procesos bioquímicos de conversión de amonio a nitrito y de este a nitrato,
necesita oxígeno del medio. El nitrógeno como forma de amonio libre es directamente tóxico a
54
los peces. En un cuerpo de agua, la determinación de la forma predominante de nitrógeno
presente puede dar informaciones sobre el estado de la contaminación encontrada.
3.1.3.6 Fósforo El fósforo en el agua se presenta principalmente en las formas de ortofosfato, polifosfato
y fósforo orgánico. Los ortofosfatos se utilizan directamente en el metabolismo biológico, sin
necesidad de conversiones a formas más simples. Las formas en que los ortofosfatos se
presentan en el agua dependen del pH, siendo la más común en la faja usual de pH el HPO4-.
El fósforo es un elemento indispensable para el crecimiento de las algas, pero, cuando se
encuentra en elevadas concentraciones en lagos y represas, también provoca la eutrificación.
3.1.3.7 Acidez (pH) El pH de las aguas naturales varía con las condiciones edáficas. La actividad
fotosintética provoca, en los medios naturales, importantes variaciones diurnas del pH. Durante
el día, la absorción intensa de gas carbónico acarrea una elevación del pH y una precipitación
de carbonatos, ocurriendo el mecanismo inverso durante la noche. El bicarbonato de calcio da
a las aguas naturales un poder tal que permite el restablecimiento de las condiciones iniciales
en caso de contaminación por vertidos ácidos. Las aguas menos mineralizadas son más
sensibles a este tipo de contaminación. Valores de pH alejados del neutro pueden afectar la
vida acuática, por ejemplo, a los peces y a los microorganismos.
3.1.4 Parámetros Biológicos
3.1.4.1 Coliformes fecales La detección de agentes patógenos, principalmente bacterias protozoarios y virus en
una muestra de agua es extremadamente difícil, debido a sus bajas concentraciones. Debido a
esto, la tasa de concentración final por volumen en un cuerpo de agua, es sin duda muy
reducida, por lo que su detección a través de pruebas de laboratorio presenta gran dificultad.
Este obstáculo es superado con el estudio de los llamados organismos indicadores de
contaminación fecal. Tales organismos no son patógenos, pero propician un índice satisfactorio
55
de la contaminación del agua por heces humanas o de animales y de su potencialidad para
transmisión de enfermedades.
Los organismos más comúnmente utilizados para tal finalidad son las bacterias del
grupo coliforme. Los coliformes se presentan en gran cantidad en las heces humanas. Con
esto, la probabilidad de que sean detectados después del lanzamiento es incomparablemente
superior al de los microorganismos patógenos. Los coliformes fecales se presentan en gran
número de heces del hombre y de animales de sangre caliente, siendo por este hecho, un buen
indicador de la contaminación.
3-2 El problema de la corrosión por H2S
3.2.1 El problema específico La septicidad de las aguas residuales es un problema en las redes de alcantarillado
sanitario, dado que entre otras cosas, produce malos olores, gases tóxicos (principalmente
sulfuro de hidrógeno H2S) y la corrosión de los materiales que conforman la red de
alcantarillado debida a la formación de ácido sulfúrico (H2SO4), proceso que será explicado con
más detalles en esta sección.
La causa principal de estos problemas, es la producción de H2S debido a las
condiciones anaeróbicas que se presentan en algunos puntos dentro de la red de alcantarillado
sanitario y de los tiempos de residencia hidráulicos altos en la red. Como parte de este
proyecto de graduación se evaluarán las condiciones de septicidad presentes en el Colector
María Aguilar, del cual se hablará con más detalle en el capítulo 4.
Continuando con el problema de la septicidad, el sulfuro de hidrógeno (H2S) es un gas
incoloro, con un olor característico que podría compararse con el olor de un huevo que está
podrido. El H2S es conocido también como hidrógeno sulfuroso, ácido hidrosulfúrico o gas
hepático. Dadas sus características peligrosas por exposición al H2S, la Agencia de Seguridad
y Salud Ocupacional de los Estados Unidos de América (OSHA, por sus siglas en ingles) ha
establecido que la exposición al H2S debe ser limitada a un máximo de 20 ppm para una
exposición de 10 minutos. Cuando la concentración del H2S se incrementa, su olor fácilmente
56
reconocible se disipa, lo cual hace que a concentraciones altas no se note su presencia. A más
de 300 ppm, el H2S puede causar la pérdida de conciencia e incluso la muerte.
Además de los problemas asociados al H2S con la salud, ya su presencia solamente es
causa de molestia por olores, dado su desagradable olor, así como el colapso de las tuberías
del alcantarillado debido a la corrosión de estas, así como corrosión en las tuberías y partes de
las plantas de tratamiento. Los sulfatos ingresan al alcantarillado sanitario tanto en su forma
orgánica (a través de desperdicios orgánicos), así como en su forma inorgánica (debido a la
presencia de sulfatos contenidos en los detergentes y las aguas residuales). Cuando las aguas
residuales se tornan sépticas, las bacterias reductoras de sulfatos (BRS), tales como
Thiobacillus sp, reducen los sulfatos a sulfuros y luego a H2S, el cual a su vez al combinarse
con el oxígeno se transforma en ácido sulfúrico (H2SO4), el cual por ser un ácido fuerte ataca
las paredes y la corona del alcantarillado.
En las tuberías parcialmente llenas, se acumula humedad en la corona de la tubería.
Cuando se introduce aire al sistema, el H2S sufre un proceso de reducción y se transforma en
ácido sulfúrico (H2SO4), el cual es el causante de la corrosión y colapso de las tuberías del
alcantarillado sanitario. El proceso completo se muestra en la Figura 3.1.
Figura 3.1: Formación de sulfato de hidrógeno en los alcantarillados y corrosión en la “corona” que resulta de la oxidación del H2S a H2SO4.
Fuente: Cristina Malone, Civil & Environmental Engineering School, Louisiana State University, Baton Rouge, LA, USA
El sulfuro de hidrógeno puede ser el compuesto predominante en las redes de
alcantarillado sanitario, dependiendo de las condiciones de pH y de las reacciones REDOX,
57
eso si, esto no se garantiza que suceda en todos los casos, pero si se ha probado que es lo
más frecuente8.
3.2.2 Características físico – químicas del sulfuro de hidrógeno El H2S es un gas un poco más liviano que el aire. Se condensa a su estado líquido a
una temperatura de - 62°C y además es soluble en el agua. A los 20°C, se disuelve en el agua
pura hasta 3850 mg/l, o 2.7 litros de gas H2S por cada litro de agua. Su solubilidad decrece
alrededor de un 2.5% por cada grado que se incremente la temperatura. Es decir que, por
ejemplo, el agua que contenga 3.85 mg/l de H2S puede producir una concentración de 0.1%, o
1000 ppm, al aire que esté en contacto con ella.
Cuando se disuelve en el agua, el sulfuro de hidrógeno es parcialmente ionizado, es
decir que está presente como una mezcla de H2S y HS-. Las proporciones dependerán
principalmente del pH de la solución. La Tabla 3.1 presenta las diferentes proporciones que se
pueden presentar para diferentes pH. La temperatura y el contenido mineral de las aguas
afectan el grado de ionización, pero solo en un porcentaje muy pequeño.
Tabla 3.1: Proporciones de disolución de H2S y HS -.
pH Proporción de H2S no
ionizado (factor j) Proporción
de HS- 5.0 0.99 0.01 6.0 0.91 0.09 6.2 0.86 0.14 6.4 0.80 0.20 6.6 0.72 0.28 6.8 0.61 0.39 7.0 0.50 0.50 7.2 0.39 0.61 7.4 0.28 0.72 7.6 0.20 0.80 7.8 0.14 0.86 8.0 0.09 0.91 8.2 0.059 0.941 8.4 0.039 0.961 8.6 0.025 0.975 8.8 0.016 0.986 9.0 0.010 0.99
Nota: El factor j será utilizado más adelante en una de las metodologías empíricas para predecir la formación de sulfuros.
Fuente: Dr. R.D. Pomeroy, A.G Boon The Problem of Hydrogen Sulphide in Sewers,
Clay Pipe Development Association, UK
8 Thistlewayte 1972
58
3.2.3 Ciclo del azufre (S)
El azufre es un nutriente secundario requerido por plantas y animales para realizar
diversas funciones, además el azufre está presente en prácticamente todas las proteínas y de
esta manera es un elemento absolutamente esencial para todos los seres vivos. Las formas
principales de azufre que son de mayor importancia en las aguas son el azufre orgánico, H2S,
los sulfuros, azufre elemental (S) y los sulfatos (SO4).
El azufre circula a través de la biosfera de la siguiente manera, por una parte se
comprende el paso desde el suelo o bien desde el agua, si hablamos de un sistema acuático, a
las plantas, a los animales y regresa nuevamente al suelo o al agua. “Los microorganismos y
las plantas los utilizan para formar tejidos celulares, como a su vez estos son consumidos por
los mamíferos, entonces están presentes en sus excrementos y orina.”9
Algunos de los compuestos sulfúricos presentes en la tierra son llevados al mar por los
ríos. Este azufre es devuelto a la tierra por un mecanismo que consiste en convertirlo en
compuestos gaseosos tales como el sulfuro de hidrógeno (H2S) y el dióxido de azufre (SO2).
Estos penetran en la atmósfera y vuelven a tierra firme. Generalmente son lavados por las
lluvias, aunque parte del dióxido de azufre puede ser directamente absorbido por las plantas
desde la atmósfera.
Las bacterias desempeñan un papel crucial en el reciclaje del azufre. Cuando está
presente en el aire, la descomposición de los compuestos del azufre (incluyendo la
descomposición de las proteínas) produce sulfatos (SO4=). Bajo condiciones anaeróbicas, el
sulfuro de hidrógeno (gas de olor a huevos en putrefacción) y el sulfuro de dimetilo (CH3SCH3)
son los productos principales. Cuando estos últimos gases llegan a la atmósfera, son oxidados
y se convierten en bióxido de azufre. La oxidación posterior del bióxido de azufre y su
disolución en el agua de lluvia produce ácido sulfhídrico y sulfatos, formas principalmente bajo
las cuales regresa el azufre a los ecosistemas terrestres.
9 Crites, Tchobanoglous. Small & Decentralized Wastewater Management Systems. McGraw Hill. Boston, MA, USA, 1998 (p. 141)
59
Figura 3.2: El ciclo del azufre
Fuente: Lenntech Agua residual & air purification Holding B.V. Rotterdamseweg, The Netherlands
Como resumen podemos decir que durante el ciclo del azufre los principales eventos
son los siguientes:
• El azufre, como sulfato, es aprovechado e incorporado por los vegetales para realizar
sus funciones vitales.
• Los consumidores primarios adquieren el azufre cuando se alimentan de estas plantas.
• El azufre puede llegar a las aguas como sulfuro de hidrógeno (H2S) o dióxido de azufre
(SO2), ambos gases provenientes de la descomposición de la materia orgánica.
60
3.2.4 Formación de compuestos de sulfuro dentro del alcantarillado sanitario Los alcantarillados sanitarios contienen bacterias, sulfatos y materias orgánicas, es
decir tienen todos los elementos requeridos para que se generen compuestos sulfurosos. Una
condición que se debe cumplir siempre es la de tener condiciones anaeróbicas. En ausencia de
oxígeno disuelto, los nitratos pueden proveer de oxígeno a las bacterias y por ende evitar que
se desarrollen las condiciones sépticas. Cuando todo el oxígeno de los aniones de nitratos es
consumido, las condiciones serán anaeróbicas. Estas condiciones anaeróbicas se desarrollan
fácilmente dentro de un alcantarillado sanitario debido a la diversidad de bacterias que hay
presentes y que consumen el oxígeno disuelto y el de los nitratos. No obstante, si la tubería
está parcialmente llena, la parte superior del agua expuesta al aire dentro de la tubería absorbe
oxígeno. La tasa de absorción de oxígeno es baja, y la acción de las bacterias la puede
mermar hasta concentraciones de unos pocos décimos de mg/l, y en algunas ocasiones hasta
uno sobre cientos de mg/l. Es decir, mientras halla presencia de oxígeno disuelto o de nitratos,
no podrá haber condiciones anaeróbicas ni reducción de sulfatos.
Una capa de lodos se irá formando en la parte sumergida de la tubería del alcantarillado
sanitario, la capa será muy delgada donde el flujo sea rápido, pero será de un milímetro o más
de espesor en donde el flujo sea más lento. Esta capa de lodos es el sitio de mayor intensidad
de acciones microbiológicas, y es el lugar en donde se desarrollan las condiciones sépticas,
donde se reducen los sulfatos y se da la generación de sulfuro de hidrógeno
Existe una zona de condiciones aeróbicas (zona con presencia de oxígeno) frecuentes,
es la zona en donde la capa de lodos está en contacto permanente con el flujo de la tubería.
En los casos típicos la zona aeróbica se extiende hasta una profundidad de 0.1 mm de la capa
de lodos, pero esa profundidad podría ser mayor si el flujo posee algunos mg/l de oxígeno
disuelto. Los sulfatos y una parte de los nutrientes de la materia orgánica se difunden en la
zona aeróbica y hacia las capas más profundas, esto satisface los requisitos que necesitan las
bacterias para reducir los sulfatos a sulfuros (SO4 → S), y por ende la reducción de sulfatos a
sulfuros puede darse a pesar de que haya presencia de oxígeno disuelto, pero es poco
probable que ocurra en presencia de nitratos, dado que se diluyen en las capas inferiores del
lodo.
61
Figura 3.3: Mecanismo de generación de sulfuros y corrosión del alcantarillado sanitario.
Fuente: Detection, Control and Correction of Hydrogen Sulfide Corrosion in Existing
Wastewater Systems, United States Environmental Protection Agency (EPA).
Los sulfuros que se difunden fuera de la zona donde se producen, en parte son
oxidados a tiosulfatos en la zona aeróbica. Si hay mucho oxígeno presente, todos los sulfuros
serán oxidados allí, pero, si el oxígeno presente es muy poco, entonces parte de los sulfuros
escapan desde los lodos hacia el flujo de agua residual. Cuando esta segunda condición es la
que rige, el alcantarillado sanitario puede mostrar acumulación de sulfuros, es decir, que la
concentración en el flujo incrementará progresivamente conforme las aguas residuales fluyen a
través de la tubería. Sin embargo, la oxidación se da en cierto grado en el flujo, y una cantidad
de H2S escapa a la atmósfera, lo que implica que las concentraciones tienden a aproximarse a
un estado de condiciones estables donde las pérdidas igualan la tasa en la que son producidos
los sulfuros.
62
La Figura 3.4 muestra el detalle de una capa de lodos típica que se forma en una
alcantarilla, mostrada a una escala bastante ampliada, para su facilidad de interpretación.
Figura 3.4: Detalle de una capa de lodos típica del alcantarillado sanitario
Fuente: Dr. R.D. Pomeroy, A.G Boon The Problem of Hydrogen Sulphide in Sewers,
Clay Pipe Development Association, UK
El oxígeno, los nutrientes orgánicos, y los sulfuros se difunden en la capa de lodos. Por
otra parte, otro porcentaje del oxígeno y de los nutrientes son consumidos en la zona aeróbica.
Por último, el remanente final es difundido aún más y alcanza la zona anaeróbica. La densa
población de bacterias anaeróbicas que se encuentran allí, especialmente las del tipo
Desulfovibrio (bacterias desulfurificantes), producen los sulfuros a una tasa que estará
determinada por la tasa con la que los nutrientes se difundan en esta zona. Los sulfuros serán
difundidos fuera de la capa de sedimentos, siendo una parte oxidada hacia la zona aeróbica y
otra parte que escapa hacia el flujo de aguas residuales.
Nota: La dirección de la difusión de los nutrientes, oxígeno, y sulfatos en la capa de lodos es perpendicular a las paredes de la tubería. Las líneas se muestran oblicuas para simplificar el diagrama.
63
La concentración de oxígeno necesaria para prevenir la acumulación de sulfuros puede
variar muchísimo, dependiendo de un sin número de condiciones. La velocidad del flujo es un
factor, a bajas velocidades el movimiento del agua no es lo suficientemente eficiente como para
llevar oxígeno hacia la capa de lodos, y bajo este tipo de condiciones será necesaria una
concentración más alta de oxígeno disuelto para prevenir la difusión de sulfuros hacia el flujo
de aguas residuales. En casos típicos se requieren cerca de 0.5 mg/l de OD para prevenir la
acumulación de sulfuros, pero bajo otras condiciones más críticas pueden llegar a requerirse
más de 1.0 mg/l de OD.
3.2.5 Predicción de acumulación de sulfuros en el alcantarillado sanitario
Una de las características de la generación de sulfuros en los alcantarillados es su
ocurrencia esporádica. En las primeras décadas del Siglo XX, esta formación esporádica de
sulfuros no era entendida y se especulaba mucho sobre el tema. Ahora que se comprenden
mejor los mecanismos de formación y acumulación de sulfuros, las razones del porque se dan
son más claras. Es evidente que el factor más importante es la cantidad de oxígeno (tanto de
OD como del presente debido a los nitratos) en el flujo del alcantarillado. Si la concentración
de OD es alta, entonces no se dará la acumulación de sulfuros, mientras que si es baja, es de
esperar la acumulación de estos.
La tasa de formación de sulfuros no está determinada solamente por la concentración
de OD, sino que por otros factores también. La tasa incrementa conforme se incremente la
temperatura, y depende de una manera compleja de la concentración de nutrientes orgánicos y
de sulfatos. La tasa de formación de sulfuros esta limitada por una escasez de tanto sulfatos
como de materia orgánica. Como ambos son consumidos en las reacciones biológicas que
producen los sulfuros, ambos son requeridos en cierta cantidad. Si existe un exceso de
nutrientes orgánicos, entonces la tasa de producción de sulfuros estará limitada por la cantidad
de sulfatos presente; por otra parte si hay un exceso de sulfatos, la tasa estará limitada por la
cantidad de nutrientes orgánicos.
Los nutrientes orgánicos disponibles para la producción de sulfuros en los
alcantarillados sanitarios todavía no han logrado ser identificados con precisión, pero se sabe
que deben estar presentes en solución, dado que deben de ser difundidos hacia la zona de
producción de sulfuros. Se ha llegado a asumir que en aguas municipales típicas, los
64
nutrientes orgánicos para la generación de sulfuros son proporcionales a la demanda
bioquímica de oxígeno (DBO)10 ó a la demanda química de oxígeno (DQO)11.
Los efectos de la velocidad del flujo en la acumulación de sulfuros son complejos. A
bajas velocidades, los sólidos se sedimentan y se mueven lentamente e intermitentemente a lo
largo del fondo de las tuberías. Los sólidos son depositados holgadamente y quedan
rápidamente libres de oxígeno, entonces se da la formación de sulfuros hasta que se hayan
difundido todos los nutrientes orgánicos y los sulfatos presentes. Si los sólidos son luego
distribuidos por el movimiento del agua, entonces lo sulfuros son liberados hacia el flujo de
agua en mayor cantidad que en el proceso que se mostró en la figura 3.3. Velocidades más
altas previenen este tipo de problema, y también incrementan la tasa de transferencia de
oxígeno hacia la capa de lodos, y reducen el tiempo de residencia hidráulico lo cual disminuye
las concentraciones de sulfuros. Por otra parte, a bajas velocidades, y especialmente en los
casos en los que las aguas residuales son estacionarias intermitentemente, lo cual es muy
común en tuberías a presión de las estaciones de bombeo, los nutrientes pueden ser
mermados en las aguas adyacentes a la capa de lodos, lo cual retarda la generación de
sulfuros. Un incremento de la velocidad en una tubería completamente llena, llevará, en algún
momento, a un incremento en la generación de sulfuros.
Teniendo en cuenta todo el conocimiento anteriormente descrito, se podría desarrollar
una ecuación que exprese la tasa de producción de sulfuros como una función de varios de los
factores que influyen en la generación de sulfuros en la capa de lodos, y las pérdidas por
oxidación y por escape hacia la atmósfera interna de la tubería. Dicha ecuación no sería de
mucha ayuda dada la dificultad de asegurarse de conseguir la información de todos y cada uno
de los parámetros que se requieren. Es más importante la concentración de oxígeno disuelto.
Una predicción veraz del OD requerirá una historia detallada de las aguas residuales para una
hora o más, aguas arriba del punto donde se pretende predecir la generación de sulfuros. La
absorción del oxígeno en la superficie superior del flujo de agua se puede predecir si se conoce
la pendiente, el diámetro de la tubería y el caudal; pero habrá cantidades de oxígeno que
entran en las juntas, caídas, y otros puntos de turbulencia, y es difícil predecir la tasa de
consumo del oxígeno.
10 Pomeroy y Bowlus, 1946. 11 Boon y Lister, 1975.
65
El único planteamiento práctico al problema de las predicciones es limitar esos intentos
de predicción al caso restringido de que los factores impredecibles sean favorables a la
acumulación de sulfuros. Es decir, que es de asumir que hay suficientes sulfatos presentes
para que no haya un limitante, que la concentración de oxígeno sea baja, que los nitratos
presentes vengan de las descargas municipales o industriales, y que no haya otras condiciones
tóxicas u otros factores que inhiban la acción de la capa de lodos.
Los primeros intentos que se dieron para predecir la acumulación de sulfuros estaban
limitados a cuestionarios con respuestas de si o no; es decir que había o no había
acumulación12. Sin embargo, se reconocía, que las predicciones cuantitativas eran posibles
para ciertos casos y condiciones de aguas residuales en tuberías a presión o completamente
llenas, en donde no hay contacto alguno con aire dentro de la tubería. Las aguas residuales
bombeadas hacia una tubería de presión generalmente contienen una cantidad de oxígeno
disuelto que es adquirido usualmente de las caídas en los pozos de registro o de otras
condiciones en su recorrido, y bajo este tipo de condiciones no habrá una acumulación de
sulfuros significativa inicialmente, pero luego de un tiempo, todo el OD y el oxígeno de los
nitratos será consumido y posteriormente entrará en acción el mecanismo de producción de
sulfuros en la capa de lodos.
Cuando las aguas residuales se tornan completamente sépticas, la generación no
solamente se da en las paredes de la tubería, sino que también en el flujo del agua residual.
Las cantidades producidas en el flujo son bastante pequeñas comparadas con las que se
producen en las capas de lodos, excepto en tuberías de longitudes considerables.
En una tubería pequeña, digamos que de unos 100 mm de diámetro, concentraciones
problemáticas de sulfuros se pueden dar incluso para tiempos de retención de aguas residuales
tan bajos como 10 minutos. En tuberías de mayor tamaño la tasa de acumulación es más
lenta, pero cantidades importantes de sulfuros se pueden generar con tiempos de entre 20 a 30
minutos en tuberías de alrededor de un metro de diámetro.
12 Pomeroy y Bowlus, 1946.
66
3.2.6 Factor de corrosión Z
Las ecuaciones que han sido propuestas para la predicción de la acumulación de
sulfuros en tuberías llenas y parcialmente llenas, y para la predicción de la corrosión serán
explicadas con mayor claridad más adelante en este proyecto de graduación.
La formulación propuesta para la predicción de las tasas de acumulación de sulfuros en
alcantarillados por gravedad son complicadas, pero es importante darle la atención necesaria a
un indicador cualitativo que ayuda como referencia para tener una idea de las posibles
condiciones futuras de acumulación de sulfuros. Este indicador se llama “la fórmula Z” o “factor
de corrosión Z”13, la cual es la siguiente:
bP
QS
DBOZ e ⋅
⋅
⋅=
31
21
3 (Ecuación 3.1)
donde: )20(5
20 07.1 −⋅= Te DBODBO (Ecuación 3.2)
DBOe demanda bioquímica de oxígeno efectiva, la cual es definida como la DBO
estándar a los 5 días, a 20°C de temperatura, multiplicada por el factor 1.07(T-20).
T temperatura del agua residual en °C
S pendiente de la tubería, m/100 m
Q caudal de agua residual, Qmáximo horario de diseño en (l/s)
P perímetro mojado de la parte sumergida de la tubería (m)
b ancho del flujo de agua residual (m)
A área mojada (m2)
Para una mayor claridad de cada uno de los factores anteriores se presenta el siguiente
diagrama en la figura 3.5.
13 US EPA Sulfide Control Manual
67
Figura 3.5: Parámetros del Factor de corrosión Z.
Fuente: El Autor.
Antes de interpretar el significado del factor de corrosión Z, es necesario mencionar que
ni la formula de Z ni ninguna otra fórmula o ecuación, cuando es aplicada a un alcantarillado
sanitario en particular, puede darnos una respuesta a las condiciones de sulfuros en un tramo,
dado que las contribuciones de aguas arriba no pueden ser ignoradas. Algunas de las
condiciones de aguas arriba que pueden influir son, tuberías principales a presión en donde la
acumulación de sulfuros es muy probable, alcantarillados por gravedad que presentan las
condiciones necesarias para la acumulación de sulfuros, o descargas con alto contenido de
sulfatos de algunas industrias. Lo que las ecuaciones indican es si habrá una tendencia
favorable o no a la acumulación de sulfuros, para el tramo en donde se hacen los cálculos.
Conociendo estos limitantes de aplicación de la fórmula, se puede llegar a la siguiente
Tabla 3.2 de descripciones de condiciones que se pueden esperar en un tramo de tubería
dependiendo del valor de Z obtenido.
68
Tabla 3.2: Valores de Z y sus condiciones características.
Valor de Z Condiciones probables que pueden ser observadas Por debajo de 5,000 Sulfuro de hidrógeno raramente presente o solo en
concentraciones muy bajas.
Alrededor de 7,500 Pueden alcanzarse concentraciones pico de algunos décimos de mg/l de sulfuro disuelto. Puede ocurrir corrosión leve del concreto y la mampostería de las estructuras. Algún tipo de corrosión substancial puede ser observada algunas veces cerca de los puntos donde existe turbulencia.
Alrededor de 10,000 Los sulfuros pueden desarrollarse algunas veces en cantidades suficientes como para que haya un incremento de olores, las estructuras de concreto y mampostería pueden sufrir daños sustanciales, especialmente cerca de los puntos donde exista turbulencia.
Alrededor de 15,000 El olor de las aguas residuales es fuerte en ciertos puntos. Hay un ataque rápido de las estructuras de concreto especialmente en los puntos donde se da turbulencia, con otro tanto significativo en otras zonas. En tuberías de aproximadamente 25 mm de espesor, hay una probabilidad muy alta de colapsos en menos de 25 años.
Alrededor, o por encima de 25,000
Los sulfuros disueltos estarán presentes casi a todas horas, y tuberías de concreto pequeñas fallarán entre los 5 y 10 años.
Fuente: Dr. R.D. Pomeroy, A.G Boon The Problem of Hydrogen Sulphide in Sewers,
Clay Pipe Development Association, UK
El rango de aplicación del factor de corrosión Z es bastante limitado. En tuberías con
caudales grandes, alrededor de los 2,000 l/s, puede que haya una considerable acumulación
de sulfuros, incluso cuando el factor de corrosión Z arroje resultados tan bajos como 5,000,
esto si la tasa de producción es lenta. Por otra parte, a caudales de alrededor de los 3 l/s
puede que no haya acumulación significativa aunque se obtengan valores altos de Z. En
alcantarillados sanitarios relativamente pequeños, el principal factor determinante será la
acumulación de escombros en el fondo de la tubería. Esas acumulaciones de escombros
retardan los flujos hasta llevarlos a velocidades mucho menores que las que se asumieron
cuando se derivaron las ecuaciones. La habilidad que tengan las tuberías para mantenerse
libres de acumulaciones de escombros no debe de ser juzgada solamente por las bajas
velocidades que prevalecen cuando la tubería esta parcialmente llena, sino que por las
velocidades pico que se alcanzan al menos una vez al día bajo las condiciones de operación
que existan.
69
Otro punto de consideración en la aplicación del factor de corrosión, es el hecho de que
de los parámetros de la ecuación, todos son variables con excepción de la pendiente de la
tubería. Además de las fluctuaciones al azar, hay cambios de temperatura dependiendo de la
época del año, y cambios diarios de caudal de aguas residuales. Se recomienda utilizar la
temperatura promedio de los primeros 4 meses más calientes del año, y el caudal promedio de
agua residual de las 6 horas de máximo caudal del día, para hacer un cálculo y estimación del
valor de Z climático. Si la ecuación arroja resultados de que hay problemas de acumulación de
sulfuros, entonces esto debe de ser tomado como una precaución y el sistema debe de ser
examinado con más detalle con otras ecuaciones más complejas e inclusive evaluar si es
factible el uso de otros materiales más resistentes a la corrosión. Si dentro del rango de
tamaños de tuberías resistentes a la corrosión hay disponibilidad, se preferirá utilizar tuberías
de este tipo aunque no haya certeza de formación de sulfuros.
Se puede notar que si la tubería esta completamente llena, el factor de corrosión Z
tiende a infinito. Esto es debido a que las tuberías completamente llenas no permiten un
contacto del agua residual con el aire, y la acumulación de sulfuros entonces depende
únicamente de la temperatura y cantidad de nutrientes que consuman las bacterias productoras
de sulfuros. Inclusive una tubería principal a presión puede producir suficientes sulfuros como
para provocar concentraciones dañinas más allá de su área tributaria dentro del sistema, a
menos de que se apliquen técnicas de medición y control de sulfuros. Muchos de los casos
críticos de acumulación de sulfuros en alcantarillados sanitarios han sido debido a la
producción de sulfuros en tuberías principales a presión de estaciones de bombeo.
3.2.7 Tasa de acumulación de sulfuros en tuberías principales a presión
En tuberías principales a presión en donde hay tiempos de residencia hidráulicos
mayores que 10 minutos, puede haber considerables cantidades de acumulación de sulfuros,
incluso ha sucedido en países nórdicos, dado que las condiciones anaeróbicas (sépticas) son
las que prevalecen en estos casos. Esto mismo sucede en pozos húmedos indebidamente
grandes con tiempos de retención de las aguas residuales muy largos.
Cuando las bombas entran en operación, la gran carga concentrada de aguas
residuales con sulfuros, usualmente es descargada en alcantarillados por gravedad, donde
entonces aparecen serias condiciones de corrosión si se usan materiales que son sensibles a
70
esta. Este tipo de problema usualmente lo pasan por alto los ingenieros cuando diseñan
tuberías principales de estaciones de bombeo o de plantas de tratamiento.
Se han propuesto tres distintas ecuaciones para predecir la producción de sulfuros en
tuberías llenas, y serán discutidas detalladamente en la sección 3.3 de este capítulo.
Dado que a veces se presentan condiciones en las tuberías principales a presión que,
no siempre van apegadas a las limitaciones bajo las cuales las ecuaciones son aplicables,
muchas de esas tuberías principales a presión producen menos cantidad de sulfuros que las
que indican las ecuaciones. Por ejemplo, cuando los tiempos de residencia hidráulicos son
cortos, digamos que alrededor de los 10 minutos, casi siempre habrá muy poca o ninguna
acumulación de sulfuros, dado que no se llega en ese tiempo a las condiciones estrictamente
anaeróbicas.
3.2.8 Predicción de acumulación de sulfuros en tuberías parcialmente llenas
Las tres ecuaciones para la predicción de sulfuros en tuberías llenas que se mencionan
en la sección 3.3 arrojan buenos resultados, dadas ciertas condiciones como que el OD y
todos los nitratos sean consumidos, que haya una presencia considerable de sulfatos, y que la
capa de lodos este en una fase activa y completamente desarrollada. Las predicciones más
prácticas que se pueden lograr para una tubería parcialmente llena deberán estar similarmente
limitadas, y además, se asume que hay cierta presencia de oxígeno, pero en un rango de
carencia con menos de 0.5 mg/l. Dado que muchos alcantarillados sanitarios contienen más
que suficiente OD para prevenir la generación de sulfuros, entonces muchos alcantarillados por
gravedad desarrollan una menor acumulación de sulfuros que la cantidad que se predice con
las ecuaciones. Hay muy pocas probabilidades de que pueda ser diseñada una nueva
ecuación que arroje resultados más allá que la predicción de la mayor concentración esperada.
De todas maneras, esta es la cantidad que el ingeniero espera conocer a menos de que haya
una seguridad plena de que las líneas de alcantarillado están bien aireadas para prevenir una
acumulación importante de sulfuros.
71
3.2.9 Aireación en tuberías parcialmente llenas
La tasa de re-aireación de las aguas residuales que fluyen a través de una tubería
parcialmente llena que funciona como canal abierto, puede ser calculada con las ecuaciones
que se discuten a continuación.
Varias ecuaciones han sido propuestas y serán descritas a continuación:
1. Pomeroy, Johnston y Bailey14 propusieron la siguiente ecuación:
( )ccduMduR sm
T
mf −⋅⋅⋅⋅⋅
⋅⋅
+⋅= −− 183
1)20(
2
)(07.181.917.0196.0 (Ecuación 3.3)
2. Thistlethwayte propuso la siguiente ecuación:
( )ccduMR smf −⋅⋅⋅⋅⋅= −1408.02 )(121.060 α (Ecuación 3.4)
donde:
Rf = tasa de reaireación del agua residual (mg O2/l h)
u = velocidad del agua residual (m/s)
dm = profundidad hidráulica media (m), que es igual al volumen unitario dividido entre
el área de la superficie
M1 = pendiente de la línea de energía del agua residual (m/100 m)
M2 = igual que M1 pero con unidades cambiadas a (m/m)
T = temperatura del agua residual (°C)
Cs = concentración de saturación del OD en equilibrio con la atmósfera (mg/l)
C = concentración del OD en el agua residual (mg/l)
α = proporción de la tasa de reaireación en agua potable a aquella en agua residual
Otra alternativa a estas dos ecuaciones es la ecuación que fue derivada para quebradas
y ríos, la cual también es valida para canales de hasta 13 cm de ancho y profundidad, con
14 Pomeroy, Johnston & Bailey, 1974. “Sulfide Control in Sanitary Sewerage Systems”. (Technology Transfer Manual) US EPA.
72
pendientes de 1 pulg por cada 270. (Similar en dimensiones al estándar de alcantarillados
pequeños).
La ecuación propuesta por Owens, Knowles & Clark es la siguiente:
( )ccduR sT
mf −⋅⋅⋅⋅⋅= −− )20(85.167.0 024.122.0 α (Ecuación 3.5)
El valor de α para la ecuación 3.4 fue condicionado para estar en un rango de 0.2 a 0.3.
Mientras que estudios hechos por el “Water Pollution Research Laboratory” (WPRL), bajo
condiciones similares, para comparar las tasas de reaireación de agua pura y de agua residual,
mostraron que el valor de α varió en un rango que iba de 0.75 a 0.5, se concluyó que un valor
razonable para las aguas residuales es asumir un α de 0.5.
Si examinamos las tres ecuaciones anteriores, es fácil darse cuenta que ninguna de las
tres posee todas las variables que uno puede esperar que afecten la tasa de reaireación. La
ecuación 3.3 considera casi todos los factores que probablemente afecten la tasa de
reaireación (incluyendo el Número de Froude u/(gdm)1/2) exceptuando a los agentes
superficiales activos (que son definidos como materiales que pueden reducir la tensión
superficial de las aguas cuando son usados en bajas concentraciones), el cual es dado como
un valor empírico, que es el coeficiente de 0.96. La ecuación 3.4 ni siquiera considera los
efectos de la temperatura los cuales pueden llegar a ser bien importantes dado que las tasas
de transferencia de materia incrementan conforme incrementa la temperatura
aproximadamente un 2% por cada °C (entre los 5 y 25°C) mientras que la Cs decrece con la
misma tasa. La ecuación 3.5 no considera la pendiente de la tubería y por ende solo podría ser
aplicable a tuberías extensas con pendientes muy bajas.
En la tabla 3.3 se muestran los efectos de usar cada una de las tres ecuaciones para
calcular las tasas de reaireación en alcantarillados sanitarios por gravedad típicos (asumiendo
que están llenos hasta la mitad y son cilíndricos para que el valor de dm sea igual a d/2.55
donde d es el diámetro de la tubería (m)). Los resultados indican que las tasas de reaireación
son afectadas significativamente por el valor de α seleccionado, también se puede comprobar
que los valores pudieron haber sido parecidos si las ecuaciones 3.3 y 3.4 tuvieran valores de α
73
de 0.5 en lugar de 0.96 y 0.25 respectivamente; y que la ecuación 3.5 hubiera incluido un
coeficiente de temperatura igual al que utiliza la ecuación 3.3.
Tabla 3.3: Ejemplos de tasas de reaireación de aguas residuales en alcantarillados sanitarios por gravedad calculados con las ecuaciones 3.3, 3.4 y 3.5 asumiendo una temperatura de 15°C
y OD de 10% del valor de saturación.
Tasas de reaireación Diámetro de
tubería Velocidad Pendiente Ecuación 4.3 Ecuación 4.4 Ecuación 4.5
(m) (m/s) (m/100 m) Pomeroy Mayer / Thistlethwayte
Owens
0.75 42 16 54 1.00 52 18 65
0.25
1.25
0.4
62 19 76 0.75 21 8 15 1.00 24 9 18
0.50
1.25
0.4
27 10 21 0.75 14 5 7 1.00 16 6 9
0.75
1.25
0.4
18 6 10 0.75 10 4 4 1.00 12 4 5
1.00
1.25
0.4
13 5 6 0.75 62 23 54 1.00 74 26 65
0.25
1.25
1.0
87 28 75 0.75 9 3 4 1.00 10 4 5
1.00
1.25
0.25
11 4 6
Fuente: Dr. R.D. Pomeroy, A.G Boon The Problem of Hydrogen Sulphide in Sewers, Clay Pipe Development Association, UK
Para que los sulfuros no se formen, la tasa de reaireación debe de exceder la tasa de
demanda. Estudios en el Reino Unido y EEUU han demostrado que la velocidad con la que el
OD es consumido por los microorganismos presentes en las aguas residuales domésticas es
mas o menos igual a 2 mg/l h a los 15°C y puede incrementarse a valores cercanos a los 20
mg/l h conforme las aguas residuales pasan mucho tiempo dentro del sistema bajo condiciones
aeróbicas. La tasa promedio es aproximadamente de 14 mg/l h a los 15°C.
Cuando las aguas residuales contienen una proporción de aguas residuales industriales
o tienen un valor significativamente bajo de DBO comparado con el de las aguas residuales
domésticas (las cuales tienen una DBO de aproximadamente 400 mg/l) y según estudios
hechos en el Reino Unido los datos indican que la velocidad con la que el OD es consumido
74
por los microorganismos es en promedio igual a 6 mg/l h a una temperatura de 15°C. Las tasas
de respiración de las capas de lodos que crecen aeróbicamente bajo las partes sumergidas de
las tuberías se ha encontrado que son generalmente de 700 mg/m2 de superficie por hora a los
15°C, independientemente de la DBO del agua residual (en un rango que va de 90 a 780 mg/l).
A partir de esos datos se puede calcular que la tasa de demanda total de oxígeno (para una
tubería cilíndrica y a medio llenar) de agua residual a los 15°C con una tasa de respiración
promedio de 6 mg/l h sería como se muestra a continuación:
Tabla 3.4: Tasas de respiración y de demanda de oxígeno.
Tasas de respiración (mg/l h) Diámetro de tubería (m) Lodos sobre la
superficie Agua Residual
Tasa de demanda de OD total
(mg/l h) 0.25 11.2 6 17 0.50 5.6 6 12 0.75 3.7 6 10 1.0 2.8 6 9
Fuente: Dr. R.D. Pomeroy, A.G Boon The Problem of Hydrogen Sulphide in Sewers,
Clay Pipe Development Association, UK
Al comparar las tasas de demanda de OD totales en la tabla 3.4, con las tasas de re-
aireación dadas en la tabla 3.3, se puede notar que las aguas residuales deberían de
mantenerse aeróbicas, excepto en tuberías con pendientes bajas y grandes diámetros,
independientemente de cual ecuación haya sido utilizada para elaborar los cálculos.
3.2.10 Acumulación de sulfuros en alcantarillados sanitarios pequeños En donde la profundidad del flujo, es decir la altura de sumergencia sea menor que 50
milímetros, como es el caso en los alcantarillados sanitarios pequeños, las ecuaciones para la
predicción de la acumulación de sulfuros no son de mucha ayuda. Aunque las aguas
residuales se mantengan casi sin movimiento, no habrá una formación de sulfuros, debido a
que hay una tasa básica de absorción de oxígeno incluso en aguas que están estacionarias.
Los flujos pueden llegar a ser muy variables en las tuberías con diámetros pequeños,
mojando y exponiendo de forma esporádica las superficies internas donde se desarrollan capas
de limos (lodos) oxidizadas. Además, existen conexiones frecuentes a la tubería a lo largo de
esta, que agregan flujos aireados a la misma. Es debido a la combinación de estos efectos,
75
que la formación y acumulación de sulfuros sea bien baja, a pesar de que las ecuaciones
predigan que habrá una alta acumulación de sulfuros.
No obstante, algunas veces pueden llegar a desarrollarse condiciones severas de
acumulación de sulfuros en alcantarillados con diámetros pequeños. Las tuberías, cuando
llegan a ser corroídas, son dañadas, y los sulfuros producidos pueden llegar a causar
problemas en otros sectores aguas abajo. Al parecer, el factor determinante es la extensión en
la cual la tubería se echa a perder por la acumulación de sólidos. Si se acumulan escombros y
papeles en la tubería, el agua residual tiende a pasar con dificultades a través de la masa, o
pasa a través de una serie de charcos estancados. El flujo a través de alcantarillados con
diámetros pequeños es altamente variable, e inclusive los flujos pico pueden llegar a remover
los atascamientos de sólidos siempre y cuando exista un valor mínimo de pendiente de las
tuberías.
En un proyecto de investigación realizado en California, EEUU, se midieron las
concentraciones de sulfuros en colectores de alcantarillados sanitarios de áreas residenciales,
en donde la mayor parte de las viviendas eran de uso familiar. El promedio de la distancia de
las conexiones residenciales al alcantarillado sanitario era de una por cada 10 m. Se midieron
las concentraciones de sulfuros en pozos de inspección sucesivos tan lejos aguas abajo a
como hubiera una pendiente uniforme y no hubiera cruces de tubería, más que las conexiones
de servicio laterales de las viviendas. Se hicieron dos series de pruebas por alcantarillado.
Los datos obtenidos fueron divididos en categorías por pendientes y promediados. Los
resultados se muestran en la tabla 3.5 y gráficamente en la figura 3.6. Es evidente que la
tendencia a usar pendientes casi nulas, como fue el caso en ciertas áreas de ese estudio,
arroja resultados bastante insatisfactorios.
Tabla 3.5: Ocurrencia de acumulación de sulfuros en alcantarillados con diámetros pequeños.
Alcantarillados % Resultados Promedio
Línea Rango Promedio Número de
alcantarillas DBO (mg/l) Temp. (°C) A 0.20 - 0.25 0.23 18 253 24.7 B 0.32 - 0.46 0.40 22 212 24.4 C 0.52 - 0.64 0.57 16 178 24.7 D 0.72 - 1.20 0.90 8 184 24.3
Fuente: Sulfide in Sanitary Sewerage Systems,
Agencia de Protección Ambiental de los EEUU, 1974
76
Figura 3.6: Ocurrencia de acumulación de sulfuros en cloacas con diámetros pequeños.
Fuente: Sulphide in Sanitary Sewerage Systems, Agencia de Protección Ambiental de los EEUU, 1974
3.2.11 Efectos corrosivos del H2S
Como se ha mencionado antes en este proyecto de graduación, el H2S puede ser
oxidado biológicamente en superficies húmedas para producir H2SO4. Las estructuras con
buena ventilación deben de tratar de mantenerse secas para evitar que ocurra esta acción
biológica, sin embargo, las paredes de las tuberías permanecen mojadas casi todo el tiempo.
La temperatura de las aguas residuales es siempre un poco más elevada que la tierra que está
alrededor de las tuberías. Es debido a esta diferencia de temperaturas que los vapores de las
aguas residuales escapan del flujo y son condensados en las paredes expuestas de las
tuberías. Cuando las aguas residuales contienen H2S, y las paredes internas están húmedas,
entonces entran en acción las bacterias del género Thiobacilli y producen el H2SO4. Todas las
tuberías que estén fabricadas con concreto, hierro, acero, o cualquier otro material corrosivo al
H2SO4 serán atacadas y corroídas
Existen numerosos casos de corrosión severa de tuberías debido a estos efectos, casos
en los cuales ha sido necesario reemplazar las tuberías antes del periodo de diseño para el
77
cual se pretendió que debería de haber funcionado. En casos muy extremos, las tuberías de
concreto han colapsado al término de 3 años. Solo la parte superior de tubería expuesta es
atacada en este último caso, y de allí el colapso.
No es necesario que las concentraciones de sulfuros sean muy altas para que haya
corrosión. En las cercanías inmediatas de algún tramo con alta turbulencia, como las caídas
debidas a una unión, una concentración de sulfuros de alrededor de 0.01 mg/l es suficiente
como para causar corrosión severa. Bajo condiciones normales de flujo, en una alcantarilla de
longitud considerable una concentración de 0.01 mg/l de sulfuros es tolerable, ó de 0.03 a 0.05
mg/l en alcantarillas de menor longitud. Dada la variabilidad de concentraciones de sulfuros
que puede darse, la concentraciones pico pueden llegar a ser a veces hasta 10 veces más que
estos promedios. En pruebas llevadas a cabo en las tomas de entrada a plantas de
tratamiento, en donde las aguas residuales (que contienen de 2 a 6 mg H2S por litro) pasan por
una caída de 0.75 m a un pozo húmedo, arrojan resultados de 6% (v/v) de formación de ácido
sulfúrico en las paredes expuestas cuando la temperatura era de 18°C.
.
78
Figura 3.7:
Tubería principal a presión de 100 mm de diámetro en hierro fundido corroída después de 25 años Figura 3.8:
Distribución desigual de la corrosión en una alcantarilla de concreto.
Figura 3.9:
Tubería de 235mm de diámetro en asbestos cemento bituminado, se muestran los efectos de 14 años de ataque ácido. Figura 3.10:
Restos de la parte inferior de una tubería en concreto de 225 mm de diámetro aguas abajo de la descarga de una estación de bombeo después de 10 años de servicio. Se puede apreciar el agregado expuesto después de que el cemento fue atacado por el ácido sulfúrico.
79
Figura 3.11:
Agregado y refuerzo expuestos en una tubería de concreto. El concreto ha sido atacado por el ácido sulfúrico que fue oxidado a partir del sulfuro de hidrógeno atmosférico en presencia de humedad, el refuerzo fue atacado directamente por el sulfuro de hidrógeno atmosférico. Figura 3.12:
Ataque por ácido sulfúrico formado a partir de la oxidación del sulfuro de hidrógeno atmosférico en la presencia de humedad, en la caída de tubería principal a presión. Casi todo el mortero de la mampostería ha desaparecido y el borde de concreto ha sido atacado severamente.
Figura 3.13:
Corrosión en una tubería de 200 mm de diámetro, bordes y paredes de un pozo por el ataque del H2SO4 oxidado a partir de H2S atmosférico en la presencia de humedad a los 5 años de construido. Figura 3.14:
Corrosión en un pozo húmedo donde había una presencia casi permanente de aguas sépticas, 5 años después de haber sido construido.
80
El efecto en tuberías de hierro se muestra en la figura 3.7, se muestra la fotografía de
una tubería principal a presión de una estación de bombeo, después de 25 años de estar en
servicio. El diámetro interno de esta era de 100 mm y el grosor de las paredes era de 13 mm.
La tubería que se muestra en la fotografía cerca del final de la tubería principal, en una sección
en donde casi siempre estuvo parcialmente llena, lo cual le produjo más corrosión que si
hubiera estado completamente llena. La corrosión se dio principalmente por un proceso
llamado grafitización, en el cual los cristales de hierro puros son disueltos por completo,
dejando una estructura porosa y débil que consiste principalmente de carburos de hierro. La
zona de grafitización es fácilmente apreciable. A pesar del grosor de las paredes de la tubería
de hierro, el proceso de grafitización logró penetrar a todo lo ancho de la pared en algunos
puntos, lo que deja como única opción el reemplazo total y necesario de la tubería.
El producto corroído era de un espesor de 42 mm en el fondo, y ocupaba un 70% del
área de la sección de la tubería, en su mayoría estaba compuesto de sulfatos de hierro.
Ocupaba un volumen varias veces más grande que el volumen del metal que fue disuelto, y a
pesar de su estructura porosa, el producto era bastante sólido. A menudo, una tubería con
estas características deja de ser funcional debido a las obstrucciones por la acumulación de
sulfatos de hierro y escombros.
La acción del ácido sulfúrico en el concreto, lo convierte en una masa pastosa que
consiste en su mayoría de sulfatos de calcio, y residuos de arena y gravas que eran parte del
concreto de la tubería. Si el ácido se forma lentamente, todo el ácido reaccionará con el
concreto. Sin embargo, si es formado en forma rápida, como resultado de altas
concentraciones de H2S, solo reacciona mientras logre difundirse través de la capa pastosa.
Si se da el caso de que haya suficiente presencia de humedad aguas abajo de la tubería, una
gran parte del ácido logrará devolverse hacia el flujo, en donde vuelve a oxidarse a iones de
sulfato. (Esto es el ciclo del sulfuro, y no tiene ningún efecto sobre el pH de las aguas
residuales).
Cuando las paredes laterales de las tuberías están sumergidas esporádicamente, la
capa pastosa es lavada por el mismo flujo presente. El ácido que migra hacia abajo de las
paredes de la tubería puede reaccionar rápidamente con el concreto expuesto, cuyo resultado
es una zona corroída claramente definida entre las líneas de flujos pico y bajos. Con excepción
de esta zona, la otra zona donde se ve una corrosión significativa es en la corona de la tubería,
81
esto debido a las interacciones de la humedad presente en la corona por la condensación y las
corrientes de aire dentro de la tubería debidas a la diferencia de temperaturas entre el agua y
las paredes de esta. La figura 3.8, muestra el patrón típico de corrosión en una tubería de
concreto. La figura 3.10, muestras los restos de una tubería de concreto del Reino Unido, en
donde se puede apreciar el efecto de la corrosión. La figura 3.9, muestra una tubería de
asbesto – cemento corroída en el Medio Oriente. En la figura 3.11, se puede observar la
corrosión en el concreto y el refuerzo de un alcantarillado sanitario en EEUU. Las figuras 3.12,
3.13 y 3.14, muestran los efectos corrosivos del ataque al concreto por H2SO4 en diversas
partes del sistema de alcantarillado sanitario en el Reino Unido.
En el siguiente apartado se discutirán las ecuaciones que existen hoy en día para
modelar la producción de sulfuros y las tasas de corrosión que se pueden dar en las tuberías.
3-3 Modelos para pronosticar las concentraciones de sulfuros y de corrosión
Las ecuaciones desarrolladas para predecir la formación de sulfuros en tuberías llenas y
parcialmente llenas, y las utilizadas para predecir la corrosión que se puede esperar serán
presentadas a lo largo de esta sección.
3.3.1 Ecuaciones de pronóstico
Algunos de los parámetros de las ecuaciones, tales como la temperatura de las aguas
residuales, pH, alcalinidad del concreto, pueden variar ampliamente dependiendo de la
ubicación geográfica del sistema. Si estos parámetros se escogen de manera errónea, los
pronósticos de las ecuaciones serán erróneos. Algunos rangos típicos de temperatura y pH
son mostrados en la tabla 3.6.
Tabla 3.6: Rangos de temperatura y pH.
Temperatura del Agua Residual ˚C
Área
Verano Invierno
Valores típicos
de pH Reino Unido 19 14 6.7 - 8.2
Medio Oriente 24 - 32 15 - 24 7.0 EEUU, California 26 20 7.0 – 8.0
Fuente: Dr. R.D. Pomeroy, A.G Boon The Problem of Hydrogen Sulphide in Sewers, Clay Pipe Development Association, UK
82
Debemos de recordar que la velocidad, la profundidad de sumergencia, y concentración
de las aguas residuales varía diariamente, y habrá también un ciclo de temperaturas anual. Es
por estas razones, que las concentraciones de sulfuros son muy variables. Las estimaciones
de las concentraciones y tasas de corrosión pueden llevarse a cabo para varias combinaciones
y condiciones distintas que pueden prevalecer dentro de un alcantarillado sanitario.
De la misma forma, los cálculos pueden realizarse para condiciones anuales promedio,
que pueden arrojar resultados distintos, pero generalmente lo suficientemente parecidos desde
un punto de vista de aproximaciones de pronósticos.
3.3.2 Ecuaciones para tuberías llenas
Existen tres ecuaciones que han sido propuestas para la predicción de la producción de
sulfuros en tuberías que trabajan llenas. El resultado fundamental de estas ecuaciones se
denomina con el símbolo φse, y es la cantidad de sulfuros que libera la capa de lodos hacia el
flujo de agua residual, expresado como gramos de sulfuros por metro cuadrado por hora (g/m2-
h). Las ecuaciones son las siguientes:
1. Pomeroy, 197415
[ ] ( )( )2007.1 −⋅⋅= Tase DBOMφ (Ecuación 3.6)
2. Boon y Lister, 197516
[ ] ( )( )2007.1 −⋅⋅= Tbse DQOMφ (Ecuación 3.7)
3. Thistlehwayte, 197217
[ ] [ ] ( )( )204.04
8.0 14.1 −⋅⋅⋅⋅= Tcse SODBOuMφ (Ecuación 3.8)
Los valores de los coeficientes, bajo condiciones favorables para la acumulación de sulfuros son: 3100.1 −×=aM
15 Pomeroy, Johnston & Bailey, 1974. “Sulfide Control in Sanitary Sewerage Systems” US EPA 16 Boon y Lister, 1975. “Formation of Sulphide in Rising Mains Sewers and its Prevention by Use of Oxygen” Progress in Water Technology,Vol 7, No. 2, 289 - 300 17 Thistlethwayte, 1972. “Control of Sulfides in Sewerage Systems” US EPA
83
310228.0 −×=bM 3105.0 −×=cM [ ] =DBO Concentración estándar de la demanda bioquímica de oxígeno, mg/l. [ ] =DQO Concentración estándar de la demanda química de oxígeno, mg/l. [ ] =4SO Concentración de sulfatos, mg/l. u = velocidad, m/s T = temperatura del agua residual, °C
La DBO de las aguas residuales varía generalmente entre un tercio a la mitad de la
DQO. La ecuación 3.6 predice la tasa máxima de formación de sulfuros en los lodos, y la
ecuación 3.7 predice la tasa promedio de formación de estos.
La ecuación 3.8 es la única que intenta tomar en consideración los efectos de la
velocidad y de la concentración de sulfuros. Cuando la velocidad es baja puede que exista un
empobrecimiento de los nutrientes cerca de las capas de lodos. El efecto es aún mayor
cuando la velocidad promedio es baja debido a los largos intervalos sin movimiento de las
aguas, lo cual es bastante común en las tuberías principales a presión de las estaciones de
bombeo. Sin embargo, pareciera que una velocidad relativamente baja es suficiente para
mantener la cantidad de nutrientes, y un incremento de la velocidad por encima del mínimo
necesario, no causa mayor diferencia en la tasa de acumulación de sulfuros. De manera
similar, la tasa de acumulación de sulfuros no incrementa indefinidamente conforme incrementa
la concentración de sulfatos. A partir de la información disponible, el sulfato no es un factor
limitante si está presente en cantidades que exceden un valor que está entre un 10% y un 25%
del de la DBO, o entre un 4% y un 10% del de la DQO. Asimismo, la ecuación 3.8, tiende a
arrojar resultados que son muy altos si el flujo es muy rápido o las concentraciones de sulfatos
son muy altas. Por otra parte, las ecuaciones 3.6 y 3.7 darán resultados que son muy altos si
las aguas residuales son estacionarias la mayor parte del tiempo, o si las concentraciones de
sulfatos son muy bajas.
84
Las ecuaciones completas, de donde las ecuaciones 3.6 y 3.7 fueron deducidas,
incluían un término para la generación de sulfuros en el flujo. De hecho, la tasa de
acumulación (en mg/l), era asumida como [ ] ( ) )20(07.10015.0 −⋅⋅ TDBO , ó
[ ] .)07.1(00067.0 )20( −⋅⋅ TDQO Las ecuaciones completas de donde provienen las ecuaciones
3.6,3.7 y 3.8 son:
[ ] [ ] ( )DrDBOdtSd T 37.01)07.1(100.1 1)20(3 +⋅⋅⋅⋅×= −−− (Ecuación 3.9)
[ ] [ ] ( )DrDQOdtSd T 37.01)07.1(10228.0 1)20(3 +⋅⋅⋅⋅×= −−− (Ecuación 3.10)
[ ] [ ] [ ] 1)20(4.04
8.03 )14.1(105.0 −−− ⋅⋅⋅⋅⋅×= rSODBOudtSd T (Ecuación 3.11)
en donde:
[ ]
=dtSd
tasa de cambio de las concentraciones de sulfuros, mg/l-h
r = radio hidráulico (1/4 D en tuberías llenas), m
D = diámetro de la tubería, m
3.3.3 Ecuaciones para tuberías parcialmente llenas Como resultado de investigaciones extensivas de los sistemas de alcantarillado
sanitario, del condado de Los Ángeles, EEUU, se desarrolló una ecuación que arroja
resultados, tomando en cuenta ciertos limitantes como se han mencionado anteriormente, para
la predicción de las tasas de acumulación de sulfuros en tuberías parcialmente llenas.18
18 Parkhurst & Pomeroy, 1976. “The Forecasting of Sulfide Build Up Rates In Sewers”. Presented at the Sydney Conference of International Association of Water Pollution Research.
85
Incluye un término que representa a la tasa de sulfuros que es añadida al flujo de las aguas
residuales, debido a los sulfuros que son producidos en la capa de limos (capa de lodos), y otro
término que representa las pérdidas. En su forma general la ecuación es la siguiente:
[ ] [ ] ( ) [ ] 1831)20( ')07.1(´ −−− ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅= dSusNrDBOM
dtSd T (Ecuación 3.12)
en donde:
[ ] =S concentración de sulfuros, mg/l
[ ] =DBO demanda bioquímica de oxígeno standard, mg/l
M´ y N´ son coeficientes empíricos
[ ]
=dtSd
tasa de cambio de concentraciones de sulfuros, mg/l-h
T = temperatura de las aguas residuales, °C
r = radio hidráulico (área transversal mojada entre el perímetro mojado), m
u = velocidad del flujo, m/s
s = pendiente de la línea de energía de las aguas residuales en la tubería (que es
aproximadamente la pendiente de la tubería), m/100 m
d = profundidad hidráulica promedio (área transversal mojada dividida entre el ancho en
la superficie del flujo) b en la figura 3.5.
86
Figura 3.5: Parámetros del Factor de corrosión Z.
Fuente: El Autor.
Una profundidad de flujo debe de encontrarse, para luego medir u, r y d a esta
profundidad, dado que la producción de sulfuros varía de acuerdo con el área mojada
expuesta, la cual a su vez varía continuamente todo el día, debido a los cambios en los flujos
durante un día.
Los valores de M´ y N´ para la ecuación pueden ser escogidos para satisfacer varios
objetivos. No sería fructífero tratar de escoger estos coeficientes para que la ecuación aplicara
para todos los alcantarillados sanitarios. Si aquellos que llevan aguas residuales bien aireadas
son promediados con los que producen una gran concentración de sulfuros, habría una
correlación muy pobre entre las predicciones y los resultados obtenidos. El otro extremo sería
el de escoger coeficientes que ni siquiera llegaran a predecir las tasas de acumulación de
sulfuros, que en el peor de los casos serían mucho menores que las observadas. Es por esto,
que es más práctico elaborar una ecuación que prediga las tasas de acumulación de sulfuros,
excediéndose un poco de lo que en realidad se observa, eso si, que esa diferencia tampoco se
convierta en una cantidad muy grande.
Los dos coeficientes representan dos distintos puntos de vista, que representan
distintas formas de ser conservador, pero ambas igualmente son útiles desde el punto de vista
de un diseño.
a) 31032.0´ −×=M , 96.0=N : Predicción promedio para aquellos alcantarillados
sanitarios que presentan formación y acumulación de sulfuros.
87
b) 31032.0´ −×=M , 94.0=N : Predicción más conservadora, hay muy pocas
probabilidades de que la tasa de acumulación de estas predicciones sea excedida por
una diferencia significativa.
Estas ecuaciones pueden ser aplicadas en tuberías de alcantarillados sanitarios hasta
con un metro de diámetro. Una información cuantitativa de acumulación de sulfuros en
alcantarillados sanitarios con mayores diámetros es escasa, pero puede utilizarse un 31050.0´ −×=M , para alcantarillados sanitarios con diámetros de entre 1 y 2 m, siempre y
cuando la profundidad del flujo este por encima de un 50% del diámetro de la tubería.
Podemos observar en la ecuación 3.6 que M´ corresponde al valor de Ma. M´ es menor
que Ma debido a la presencia de oxígeno disuelto en el flujo de aguas residuales.
Si se utilizara la DQO en lugar de la DBO, el coeficiente que corresponde a M´ debería
de sustituirse por un valor de 0.073x10-3.
3.3.4 Resumen de las ecuaciones para predecir las tasas de formación de sulfuros
3.3.4.1 Ecuaciones para tuberías llenas
[ ] [ ] ( )DrDBOdtSd T 37.01)07.1(100.1 1)20(3 +⋅⋅⋅⋅×= −−− (Ecuación 3.9)
[ ] [ ] ( )DrDQOdtSd T 37.01)07.1(10228.0 1)20(3 +⋅⋅⋅⋅×= −−− (Ecuación 3.10)
[ ] [ ] [ ] 1)20(4.04
8.03 )14.1(105.0 −−− ⋅⋅⋅⋅⋅×= rSODBOudtSd T (Ecuación 3.11)
3.3.4.2 Ecuaciones para tuberías parcialmente llenas
[ ] [ ] ( ) [ ]SdusrDBOdtSd T 18
31)20(3 )96.0()07.1(1032.0 −−−− ⋅⋅⋅−⋅⋅⋅⋅×= (Ecuación 3.13)
88
[ ] [ ] ( ) [ ]SdusrDQOdtSd T 18
31)20(3 )96.0()07.1(10073.0 −−−− ⋅⋅⋅−⋅⋅⋅⋅×= (Ecuación 3.14)
3.3.4.3 Ecuaciones para tuberías parcialmente llenas – método conservador [ ] [ ] ( ) [ ]SdusrDBOdtSd T 18
31)20(3 )64.0()07.1(1032.0 −−−− ⋅⋅⋅−⋅⋅⋅⋅×= (Ecuación 3.15)
[ ] [ ] ( ) [ ]SdusrDQOdtSd T 18
31)20(3 )64.0()07.1(10073.0 −−−− ⋅⋅⋅−⋅⋅⋅⋅×= (Ecuación 3.16)
La interpretación de cada uno de los parámetros es la siguiente:
[ ]
=dtSd
tasa de concentraciones de sulfuros, mg/l-h
[ ] =DBO demanda bioquímica de oxígeno estándar, mg/l
[ ] =DQO demanda química de oxígeno estándar, mg/l
[ ] =S concentración de sulfuros, mg/l
T = temperatura de las aguas residuales, °C
D = diámetro de la tubería, m
s = pendiente de la línea de energía de las aguas residuales en la tubería (que es
aproximadamente la pendiente de la tubería), m/100 m
u = velocidad del flujo, m/s
d = profundidad hidráulica promedio (área transversal mojada dividida entre el ancho en
la superficie del flujo, b en la figura 3.4).
r = radio hidráulico (área transversal mojada entre el perímetro mojado), m
89
3.3.5 La curva de producción de sulfuros en tuberías parcialmente llenas
De acuerdo con estas ecuaciones, las concentraciones de sulfuros en tuberías
parcialmente llenas alcanzan un nivel límite, el cual designamos como [ ]limS , donde las
pérdidas igualan a las ganancias.
[ ] [ ]d
SusNr
DBOM Tlim
83)20( )()07.1(´ ⋅⋅
=⋅⋅ −
(Ecuación 3.17)19
Usando valores más conservadores como los que se muestran en la ecuación 3.15, es
decir, un valor de M´ de 0.32x10-3 y un N de 0.64, y si notamos que bP
rd = , en donde P es
el perímetro mojado y b el ancho de superficie sobre el flujo, (ver figura 3.4) entonces, podemos
rescribir la ecuación 3.17 como:
[ ] [ ]bP
us
DBOST
⋅⋅
⋅⋅×=
−−
83
)20(3
lim)(
)07.1(105.0 (Ecuación 3.18)
Si utilizamos un método menos conservador, como la ecuación 3.13, entonces el valor
del coeficiente 0.5x10-3, se debe reemplazar por el valor 0.33x10-3.
Por otra parte, si se utiliza un valor de DQO, en lugar de DBO, el coeficiente será de
0.2x10-3 en lugar de 0.5x10-3 y de 0.13x10-3 en lugar de 0.33x10-3.
El valor [ ]limS seguirá un patrón que es el de una curva de primer orden. Conociendo
[ ]limS , la curva puede ser dibujada si también tenemos un parámetro de escala de tiempo. Por
conveniencia, también podría recurrirse a utilizar la vida media, que es, el tiempo para el cual el
proceso alcanza la mitad del camino hasta el estado límite. La vida media se denomina como
21t , se expresa en horas y se calcula así:
19 Parkhurst & Pomeroy, 1976. “The Forecasting of Sulfide Build Up Rates in Sewers”. Presented at Sydney Conference of International Association of Water Pollution Research.
90
8
3)(
69.02
1
usN
dt⋅⋅
⋅= (Ecuación 3.19)
Para la ecuación conservadora, con un N = 0.64, entonces la expresión es:
8
3)(
07.12
1
us
dt⋅
⋅= (Ecuación 3.20)
La tabla 3.7 que se presenta a continuación, sirve como ayuda para obtener las
funciones geométricas e hidráulicas, y es de mucha ayuda cuando se necesitan aplicar todas
estas ecuaciones.
Tabla 3.7: Funciones geométrica e hidráulicas.
Profundidad proporcional
Ancho superficial (b)
÷ D
Perímetro mojado (p)
÷ π D
Área de sección (a) ÷ ¼ π D2
Radio hidráulico (r)
÷ ¼ D
Profundidad media (d)
÷ D 0.05 0.436 0.144 0.019 0.130 0.034 0.10 0.600 0.205 0.052 0.254 0.068 0.15 0.714 0.253 0.094 0.371 0.103 0.20 0.800 0.295 0.142 0.482 0.140 0.25 0.866 0.333 0.196 0.587 0.177 0.30 0.917 0.369 0.252 0.684 0.216 0.35 0.954 0.403 0.312 0.774 0.257 0.40 0.980 0.436 0.373 0.857 0.299 0.45 0.995 0.468 0.436 0.932 0.345 0.50 1.000 0.500 0.500 1.000 0.393 0.55 0.995 0.532 0.564 1.059 0.445 0.60 0.980 0.564 0.625 1.111 0.502 0.65 0.954 0.597 0.688 1.153 0.567 0.70 0.917 0.631 0.748 1.185 0.641 0.75 0.866 0.667 0.805 1.207 0.730 0.80 0.800 0.705 0.858 1.217 0.842 0.85 0.714 0.747 0.906 1.213 0.996 0.90 0.600 0.795 0.948 1.192 1.241 0.95 0.436 0.856 0.981 1.146 1.768 1.00 0 1.000 1.000 1.000 ∞
Fuente: Dr. R.D. Pomeroy, A.G Boon The Problem of Hydrogen Sulphide in Sewers,
Clay Pipe Development Association, UK
91
Figura 3.15: Curva de primer orden para la vida media.
Fuente: Dr. R.D. Pomeroy, A.G Boon The Problem of Hydrogen Sulphide in Sewers,
Clay Pipe Development Association, UK
3.3.6 Ejemplo de cálculo
Se tiene una alcantarilla sanitaria con un diámetro de 0.45 m, con un gradiente de 1 en
667 (0.0015), se espera que fluya agua residual a tubo parcialmente lleno (50%), con una
velocidad de 0.60 m/s. La temperatura del agua residual es de 22°C y la DBO es de 350 mg/l.
Utilizamos la ecuación 3.15, para calcular:
1. Tasa inicial de producción de sulfuros iniciando con una concentración de sulfuros de
cero.
2. Concentración límite de sulfuros que se puede llegar a alcanzar.
3. La vida media del proceso.
4. La curva de formación de sulfuros.
5. ¿A qué distancia se alcanzará una concentración de 1.0 mg/l?
92
[ ] [ ] ( ) [ ]SdusrDBOdtSd T 18
31)20(3 )64.0()07.1(1032.0 −−−− ⋅⋅⋅−⋅⋅⋅⋅×= (Ecuación 3.15)
Cálculos preliminares:
Primero se deben de obtener las siguientes cantidades:
[ ] 40107.1350)07.1( 2022)20( =⋅=⋅ −−TDBO
0721.0)60.00015.0()( 83
83
=⋅=⋅us
d = 0.393 x 0.45 = 0.177, se busca en la tabla 5.2 para una profundidad
proporcional de 0.50, su valor correspondiente de profundidad promedio en la
misma tabla, es decir 0.393 y multiplica por el diámetro de la tubería.
P/b = 1.57
r = 0.45 x 0.25 = 0.1125 m (D/4 para una tubería llena hasta la mitad)
Resultados:
1. Tasa inicial de formación de sulfuros:
14.11125.0
40100032.0=
×= mg/l-h
2. Utilizando la ecuación 3.18:
[ ] lmgS /37.457.10721.0
4010005.0lim =⋅
⋅=
3. Vida media del proceso:
63.2072.0
177.007.12
1 =×
=t horas
4. Curva de formación de sulfuros
93
Tabla 5.8: Aplicación de la ecuación general de primer orden.
Hora (vida media = 2.6 horas)
Concentración de Sulfuros ([S]lim = 4.37 mg/l)
Proporcion vida media Horas
Proporción [S]lim mg/l
0.2 0.5 0.13 0.57 0.4 1.1 0.24 1.05 0.6 1.6 0.34 1.49 0.8 2.1 0.43 1.88 1 2.6 0.5 2.19
1.2 3.2 0.57 2.49 1.6 4.2 0.67 2.93 2 5.3 0.75 3.28
2.5 6.6 0.82 3.58 Fuente: El autor.
Gráfico 3.1: Curva de acumulación de sulfuros
y = 0.2287xR2 = 1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
Concentración de sulfuros (mg/l)
Prop
orci
ón d
e [S
] lim
Fuente: El autor.
5. De acuerdo con los cálculos, la concentración de 1.0 mg/l sería alcanzada al término de 1
hora, lo que, a una velocidad del flujo de aguas residuales de 0.6 m/s, o 2160 m/h, sería a una
distancia de 2.2 km.
Cuando la concentración inicial no es igual a cero, la tasa de acumulación seguirá la
misma curva no importa cual sea el punto que represente a su concentración inicial. Si la
94
concentración es mayor que [S]lim continuará declinando hacia [S]lim a lo largo de una curva que
es el espejo de la curva de acumulación.
Muy pocos alcantarillados sanitarios recorren largas distancias bajo condiciones
uniformes de flujo. Si estos tienen pendientes, o incrementos de flujo, las curvas deben de ser
calculadas para cada condición distinta de flujo. Entonces, los cambios teóricos en las
concentraciones de sulfuros pueden predecirse pasando de una curva hacia la otra. Debe de
recordarse, sin embargo, que en situaciones reales existe una tendencia a que haya brincos en
los niveles de OD, como resultado de la reaireación que ocurre en las juntas, o caídas. En
alcantarillados mayores, casi todo el OD presente proviene de estos puntos fuente. Si los
puntos fuentes de oxígeno, a lo largo del camino son excepcionalmente grandes, las
condiciones actuales de concentraciones de sulfuros serán mucho menores que las que
muestren los cálculos.
3.3.7 Predicción de tasas de corrosión en tuberías de concreto
La tasa de corrosión de una tubería de un alcantarillado sanitario de concreto puede ser
calculada a partir de la tasa de producción de ácido sulfúrico (H2SO4) en las paredes de la
tubería, la cual a su vez depende de la tasa con la que se libere el sulfuro de hidrógeno (H2S)
de la superficie del flujo de las aguas residuales.
La tasa de transferencia de H2S a través de la interfase aire – agua es un proceso de
dos vías dado que las moléculas del H2S en el aire pueden volver a formar parte de la solución.
Este proceso inverso es menor, dado que la concentración del H2S en la atmósfera interna de
la tubería es pequeña comparada con la concentración de equilibrio. Este efecto se consideró
cuando se desarrolló la ecuación 3.21. La tasa de liberación de H2S de la superficie del flujo,
implica en esta ecuación la tasa neta de transferencia a través de la interfase.
La siguiente ecuación fue desarrollada para predecir el flujo de H2S hacia el aire bajo
condiciones típicas:
( ) [ ]DSjussf ⋅⋅⋅⋅= 83
7.0φ (Ecuación 3.21)20
en donde:
20 US EPA, 1974
95
=sfφ tasa flujo de H2S en la interfase agua residual – aire, g/m2-h
s = pendiente de la tubería de la cloaca, m/100 m
u = velocidad del flujo de agua residual, m/s
[DS] = concentración de sulfuros disueltos, mg/l
j = factor de proporción de H2S que depende del pH, ver Tabla 3.9.
Tabla 3.9: Proporciones de disolución de H2S y HS -.
pH Proporción de H2S no ionizado (factor j)
Proporción de HS-
5.0 0.99 0.01 6.0 0.91 0.09 6.2 0.86 0.14 6.4 0.80 0.20 6.6 0.72 0.28 6.8 0.61 0.39 7.0 0.50 0.50 7.2 0.39 0.61 7.4 0.28 0.72 7.6 0.20 0.80 7.8 0.14 0.86 8.0 0.09 0.91 8.2 0.059 0.941 8.4 0.039 0.961 8.6 0.025 0.975 8.8 0.016 0.986 9.0 0.010 0.99
Fuente: Dr. R.D. Pomeroy, A.G Boon The Problem of Hydrogen Sulphide in Sewers,
Clay Pipe Development Association, UK
La ecuación 3.21 aplica bajo condiciones normales de flujo, excepto cuando arroje
resultados substancialmente muy bajos, o flujos con velocidades muy altas, con números de
Froude mayores que 2.
Durante la mayoría de las condiciones, muy poco del H2S escapa por completo a la
atmósfera de la tubería. La pequeña película de humedad que se forma en las paredes de la
tubería, (condiciones ideales para que entren en acción las bacterias Thiobacilli), es muy
96
eficiente convirtiendo en H2SO4 a todo el H2S que la alcance. El flujo promedio de H2S que
esta expuesto a las paredes de las tuberías es igual al flujo desde la superficie de las aguas
residuales al aire, multiplicado por el cociente entre el ancho expuesto de la superficie del agua
residual al perímetro expuesto de la tubería (b/P´). Entonces, para calcular el flujo promedio de
H2S a las paredes de la tubería podríamos utilizar la siguiente ecuación:
( ) [ ]
⋅⋅⋅⋅⋅=
´7.0 8
3
PbDSjusswφ (Ecuación 3.22)
en donde:
=swφ tasa flujo de H2S (expresada en sulfuros) en la interfase agua residual – paredes,
g/m2-h
s = pendiente de la tubería de la cloaca, m/100 m
u = velocidad del flujo de agua residual, m/s
j = factor de proporción de H2S que depende del pH, ver Tabla 5.4.
[DS] = concentración de sulfuros disueltos, mg/l
b = ancho superficial del flujo (ver figura 5.1), m
P´ = perímetro de la parte de la tubería expuesta, (p – P/D) D, m
Los valores de b/P´ a diferentes profundidades relativas, pueden ser obtenidos a través
de la tabla 3.7.
Si las tuberías están hechas de materiales cementantes unidos, o cualquier sustancia
susceptible, implicará que el ácido reaccionará en parte o totalmente. En la medida en que
reaccione, irá penetrando las paredes a una tasa inversamente proporcional a la capacidad de
consumo ácido del material del que este hecha la pared. La proporción de ácido que reacciona
es variable, y varía desde un 100% cuando la formación de ácido es baja, a inclusive 30% a
40% cuando es formado de forma rápida o se da una alta tasa de condensación. Se puede
97
incluir un factor extra en la ecuación, que tome en consideración la proporción del ácido que
reacciona. Una vez que se ha hecho esto, la ecuación para predecir la tasa de corrosión es
como sigue:
⋅⋅⋅=A
kc sw15.11 φ (Ecuación 3.23)
en donde:
c = tasa promedio de corrosión del material, mm/año
k = factor que representa la proporción de ácido que reacciona, este valor queda a
escogencia del ingeniero.
=swφ tasa flujo de H2S (expresada como sulfuros) en la interfase agua residual –
paredes de la tubería, g/m2-h
A = capacidad de consumo ácida o alcalina del material de la tubería, expresada como
una proporción del equivalente de carbonato de calcio.
Stutterheim y Van Aardt, recomendaron que el uso de agregados calcáreos (piedra
caliza o dolomita) incrementa la alcalinidad del concreto y por ende prolonga la vida de las
estructuras sujetas al daño por condiciones típicas del ataque de sulfuros. La alcalinidad del
concreto hecho con granito u otro material resistente al ácido, puede variar entre 0.16 y 0.3.
Cuando se especifica el uso de agregados calcáreos para la construcción del alcantarillado,
usualmente se requiere que la alcalinidad del producto sea igual al 80% o 90% del CaCO3.
Los pozos de inspección, así como las tuberías del alcantarillado sanitario, pueden
llegar a ser afectados por el ácido sulfúrico producido a partir del H2S. Sin embargo, si las
condiciones normales de flujo prevalecen el daño a los pozos de inspección es intranscendente
dada el área tan grande expuesta de paredes en comparación con la superficie expuesta de
agua residual.
98
Los pozos de inspección son siempre sitios de alta turbulencia. Bajo estas condiciones,
el daño es probablemente severo cuando las aguas residuales contienen sulfuros.
3.3.8 Ejemplo de cálculo de corrosión
Continuando con el ejemplo de cálculo de la parte 3.3.6 de este capítulo, y conociendo
que el pH del agua residual es de 7.2, y que la concentración de sulfuros disueltos es de 1.0
mg/l. Si la tubería estuviera fabricada en concreto con una alcalinidad de 0.20 de carbonato de
calcio, ¿cuál seria la tasa de corrosión promedio?
Solución:
Aplicamos las ecuaciones 3.22 y 3.23,
( ) [ ]
⋅⋅⋅⋅⋅=
´7.0 8
3
PbDSjusswφ (Ecuación 3.22)
⋅⋅⋅=A
kc sw15.11 φ (Ecuación 3.23)
(su)3/8 = (0.0015 x 0.60)3/8 = 0.072
j = 0.39 (Tabla 3.9)
b/p' = 0.64 (Tabla 3.7)
Øsw = 0.7 x 0.072 x 0.39 x 1.0 x 0.64 = 0.0126g/m2-hr
La tasa de formación de ácido es relativamente baja. No hay una base sólida para
lograr estimar k, pero para estas condiciones puede estar entre 0.7 y 0.9. Se usa 0.8,
c = 11.5 x 0.8 x 0.0126 x (1/A)
= 0.116 (1/0.2)
= 0.58 mm por año
99
La tasa máxima de penetración, que estará ubicada en la corona o cerca de la línea de
las aguas, será de un 50% más grande que el promedio. Cabe recordar que, las tasas de
corrosión serán mucho más grandes, a veces hasta 10 veces más, en las cercanías de donde
hay turbulencia.
100
Capítulo 4
Evaluación física y modelado del Colector
4.1 Evaluación física del colector
En este apartado se presenta el resultado de la evaluación de un tramo aproximado de
un 25% del total de la longitud del colector María Aguilar del Alcantarillado Sanitario
Metropolitano. Dicho tramo es equivalente a unos 6 Km, pero se extrapolan los resultados de la
muestra a la totalidad de la longitud del colector.
Dentro de los objetivos del estudio se pueden citar: examinar en el campo el estado de la
infraestructura (tuberías, pozos de registro, puentes, etc.) y trochas de un 25% de la longitud
total del colector María Aguilar, equivalentes a unos 6 Km aproximadamente, y extrapolar los
resultados a la totalidad de la longitud de colectores y subcolectores.
4.1.1 Criterios de selección de los tramos de estudio Los tramos a tomar en cuenta para la muestra debían ser suficientemente representativos
de todas las condiciones del sistema, así como de las características que la misma ciudad
presenta. El razonamiento para la selección de los tramos toma en cuenta estas diferencias, en
vista de las variaciones topográficas, la calidad de suelos, características propias del desarrollo
e infraestructura urbana y condiciones socioeconómicas de las diferentes zonas que atraviesa
el colector.
En la Ciudad de San José, cuatro colectores principales recorren esta de este a oeste,
dirección que también tienen los ríos que atraviesan el Área Metropolitana, que dan nombre a
los colectores: Rivera, Torres, María Aguilar y Tiribí. Cada colector principal se puede dividir en
dos partes, alta y baja, utilizando como línea norte-sur del centro, la coordenada geográfica de
longitud oeste 5275, que coincide aproximadamente con una línea norte-sur que pasa por el
Museo de Los Niños y por el Centro de San José. De cada una de estas ocho partes, se eligió
como muestra el sector central de cada una, de modo que dentro de la muestra se tendría un
tramo alto y un tramo bajo para cada colector.
101
Lo anterior porque las condiciones de los tramos altos y bajos de cada colector son
diferentes, registrándose un mejor estado en los tramos altos, cercanos al inicio de cada
colector y un mayor deterioro de los tramos bajos, que además de ser de diámetros mayores
en virtud de trasegar un caudal mayor, también están más cercanos a los cauces de agua y
sujetos al deterioro que esta cercanía implica (tramos en laderas desprotegidas, erosión,
deslizamientos). Con esta selección se asegura también el estudio en zonas urbanas de muy
diferentes características sociales, topográficas y de infraestructura urbana.
El Cuadro 4-1 muestra las longitudes evaluadas y las totales del colector, la cantidad total
de pozos de registro de este, la longitud incluida en la muestra, y los porcentajes de la muestra
con respecto a los totales del colector.
Cuadro 4-1: Longitudes y cantidad de pozos totales y de la muestra
Colector Longitud Total del Colector (m)
Longitud de la Muestra (m)
% de la Longitud de la Muestra
Cantidad Total de Pozos de Registro
Cantidad de Pozos de la Muestra
% de Pozos de la Muestra
María Aguilar
22,643.00 5,810.61 25.7 % 409 106 25.9%
Fuente: El autor, SAPROF, 2004
4.1.2 Nomenclatura para los colectores Para uniformizar el manejo y levantamiento de la información se definió una nomenclatura
para cada colector. Para efectos de registrar la información levantada de cada pozo y tramo se
adoptó la numeración establecida en los planos de AyA para los pozos, pertenecientes a
colectores. A cada uno de estos números se le asignó un prefijo en letras que identifica a cada
colector que pertenece al tramo de estudio, según se indica en el Cuadro 4-2. Los tramos se
denominan con base en los pozos de registro extremos de cada uno de ellos.
Cuadro 4-2: Prefijo asignado a cada Colector Principal
Colector Prefijo María Aguilar 1 MA1 María Aguilar 2 MA2
102
4.1.3 Descripción de las áreas de las muestras Colector María Aguilar 2, Parte Alta:
Este tramo inicia en el Pozo de Registro MA2 – CR1 y termina en el Pozo de Registro
MA2 – CR34. El tramo se muestra en la Figura 4-2 y el diámetro del colector es de 300 mm en
el inicio y de 530 mm en el final. Corre paralelo a la margen derecha del Río María Aguilar, y
rápidamente cruza a la margen izquierda; cruza de margen varias veces y termina en la
margen izquierda. Parte va en las calles y carreteras y parte a campo traviesa en propiedades
particulares, con servidumbres de paso. Atraviesa los Barrios, por su orden de este a oeste:
Condominio Mallorca, norte de Curridabat, norte de Miramontes, norte de María Auxiliadora,
parte sur de Zapote y parte norte de San Francisco de 2 Ríos. En términos generales atraviesa
zonas residenciales, comerciales e industriales, de clase media, baja y muy baja, que cuentan
con la totalidad de los servicios públicos: agua potable, alcantarillado pluvial, energía y
teléfonos, recolección de desechos sólidos y calles asfaltadas (salvo en la zona de población
de clase baja). El Río María Aguilar se observó en todo su trayecto muy contaminado con
aguas residuales y con desechos sólidos (basura, escombros y chatarra). Se observaron
descargas directas de las casas al Río y construcciones formales e informales muy cercanas a
la margen del Río, algunas sobre el Colector.
Colector María Aguilar 1, Parte Baja:
Este tramo inicia en el Pozo de Registro MA1 – CR1 y termina en el Pozo de Registro
MA1 – CR59. El tramo se muestra en la Figura 4-1 y el diámetro del colector es de 910 mm en
toda su longitud. Corre paralelo a la margen derecha del Río María Aguilar, presenta un cruce
hacia la margen izquierda en la cual termina. Parte va en las calles y carreteras y parte a
campo traviesa en propiedades particulares, con servidumbres de paso. Atraviesa los Barrios,
por su orden de este a oeste: Sur de Cristo Rey y Salubridad, Sagrada Familia, norte de
Hatillos y sur de Sabana Sur. En términos generales atraviesa zonas residenciales y
comerciales, de clase media y baja, que cuentan con la totalidad de los servicios públicos: agua
potable, alcantarillado pluvial, energía y teléfonos, recolección de desechos sólidos y calles
asfaltadas. El Río María Aguilar se observó en todo su trayecto muy contaminado con aguas
residuales y con desechos sólidos (basura, escombros y chatarra). Se observaron descargas
directas de las casas al Río y construcciones formales muy cercanas a la margen del Río,
algunas sobre el Colector.
103
4.1.4 Metodología del inventario
Una vez definidos los dos tramos a estudiar en la muestra, se definió la metodología del
inventario, tanto para el levantamiento en el campo como para las labores anteriores y
posteriores al mismo.
4.1.5 Aspectos a evaluar En el campo, se verificó el estado de la infraestructura del colector, evaluando cada uno
de los componentes que pudieran encontrarse, como también las condiciones del entorno,
incluyendo la facilidad o complejidad de acceso a los diferentes componentes.
4.1.5.1 Estado de infraestructura Para las cajas o pozos y para los tramos se evaluaron las condiciones de la
infraestructura, considerando los diferentes componentes en cada caso. En los pozos se
valoraron los aspectos que se indican en el Cuadro 4-3 y en los tramos los aspectos que se
indican en el Cuadro 4-4.
Cuadro 4-3: Aspectos valorados en los pozos de registro
1. Maleza, Charral y Árboles
2. Árboles y materiales de desecho
3. Relleno sobre el pozo 4. Base falseada 5. Caído 6. Desplomado 7. Tapa en mal estado o
perdida
8. Tapa sellada 9. Anillo de hierro en mal
estado 10. Anillo de concreto en
mal estado 11. Losa en mal estado 12. Losa superior mal
colocada 13. Intrusión de raíces 14. Pared en mal estado
15. Base de pozo en mal estado
16. Escalera Oxidada 17. Peldaños dañados 18. Escalera destruida 19. Sin escalera 20. Pozo obstruido 21. Pozo destruido
22. Interconexiones deficientes de A.N.
23. Interconexión de pluvial
24. Disminución del Caudal
25. No hay flujo 26. Construcciones sobre
el pozo 27. Pozo no encontrado
Cuadro 4-4: Aspectos valorados en los tramos 1. Maleza, Charral y Árboles 2. Árboles y materiales de desecho 3. Derrumbe sobre tramo 4. Terreno falseado o inestable 5. Tubería expuesta
6. Tubería rota 7. Tubería caída 8. Flujo externo de agua 9. Tubería obstruida 10. Servidumbre no ubicada
11. Construcción sobre el tramo 12. Bases de puente en mal estado 13. Bastiones de puente en mal
estado 14. Tensores de puente en mal
estado 15. Tubería de puente en mal estado
104
4.1.5.2 Accesibilidad La accesibilidad al pozo o tramo está relacionada con la facilidad para dar
mantenimiento a la infraestructura. La accesibilidad se dificulta por las condiciones del terreno
(laderas, derrumbes, construcciones), y por las condiciones de la superficie de las calles:
asfalto sobre las tapas de los pozos de registro.
4.1.5.3 Condiciones del entorno Las condiciones del entorno se refieren a la situación en el área inmediata al
componente de la infraestructura en estudio: si hay maleza, si el terreno es quebrado, si hay
construcciones y otras condiciones particulares.
4.1.6 Resultados obtenidos En el Anexo 2 se incluye la totalidad de la información recopilada en el campo para los
Pozos de Registro y para los Tramos de Colector, que consiste en una hoja o ficha para cada
Pozo de Registro y para el Tramo de Colector Aguas Abajo correspondiente, identificada con
los prefijos indicados en el Cuadro 4-2, organizados por Colector. La mayor parte de las fichas
contienen una fotografía de la estructura de que trata. Esto se puede consultar en el disco
compacto adjunto. El resultado del trabajo de campo se resume en el Cuadro 4-5.
Cuadro 4-5: Resumen de las características y
condiciones de pozos y tramos de la muestra
Característica
María Aguilar
Longitud total (m) 22,643.00 Longitud de muestra (m) 5,810.61 Total de pozos 409 Cant. Pozos muestra 105 Condición de los pozos de registro Maleza, Charral y Árboles 35 Árboles y materiales de desecho 1 Relleno sobre el pozo 5 Base falseada 5 Caído 0 Desplomado 0
105
Característica
María Aguilar
Tapa en mal estado o perdida 5 Tapa sellada 1 Anillo de hierro en mal estado 8 Anillo de concreto en mal estado 1 Losa en mal estado 0 Losa superior mal colocada 1 Intrusión de raíces 0 Pared en mal estado 0 Base de pozo en mal estado 0 Escalera Oxidada 4 Peldaños dañados 22 Escalera destruida 16 Sin escalera 0 Pozo obstruido 4 Pozo destruido 2 Interconexiones deficientes de Aguas Negras 1 Interconexión de pluvial 0 Disminución del Caudal 0 No hay flujo 1 Construcciones sobre el pozo 1 Pozo no encontrado 43 Condición de los tramos Maleza, Charral y Árboles 52 Árboles y materiales de desecho 5 Derrumbe sobre tramo 15 Terreno falseado o inestable 25 Tubería expuesta 0 Tubería rota 1 Tubería caída 3 Flujo externo de agua 1 Tubería obstruida 0 Servidumbre no ubicada 13 Construcción sobre el tramo 18 Bases de puente en mal estado 0 Bastiones de puente en mal estado 0 Tensores de puente en mal estado 0 Tubería de puente en mal estado 0
4.1.7 Comentarios a los resultados En las inspecciones de campo se constató que las muestras de tramos seleccionados de
cada colector, fueron representativas de la totalidad de cada uno de los colectores, para las
partes altas y bajas del colector y de la ciudad. Los problemas mayores se presentan en los
106
tramos bajos, debido a que los colectores son de mayor diámetro, los caudales son mayores,
los cauces de los ríos son más profundos, lo que hace que los daños sean mucho más grandes
y espectaculares, que aquellos que se presentan en las partes altas, donde los diámetros y
caudales son menores, y los cauces de los ríos de menor profundidad.
Las invasiones de viviendas en precario se presentan en mayor proporción en las zonas
bajas del colector del sector sur de la ciudad, precisamente en este colector en estudio María
Aguilar, según fuentes del AyA.
4.1.7.1 Pozos de registro Un total de 43 pozos de registro, 40.95%, de un total de 105 incluidos en la muestra, no
se localizaron, lo que se debe a las razones siguientes:
1. Servidumbres con mucha maleza o charral 2. Invasión por viviendas en precario 3. Servidumbres dentro de áreas privadas
(residenciales o industriales) en las que no se permitió el acceso
4. Cajas ocultas bajo el asfalto 5. Cajas enterradas por derrumbes o terraplenes 6. Cajas cuyo acceso significa alto riesgo, ubicadas en
laderas peligrosas.
Los problemas que se presentan con mayor frecuencia en los pozos de registro
localizados, son los siguientes:
1. Maleza alrededor o sobre el pozo 2. Escaleras total o parcialmente destruidas o
corroídas 3. Anillo de hierro en mal estado
4. Relleno sobre pozos 5. Tapa del pozo en mal estado o ausente 6. Interconexiones deficientes o irregulares
En todos los tramos estudiados se encontraron casos de construcciones formales e
informales sobre pozos de registro.
En todos los colectores se observa una evidente discontinuidad del caudal, con
respecto a los observados aguas arriba, lo cual demuestra que el flujo se pierde en tubería
rotas o pozos de registro obstruidos que rebalsan. En todos los casos estos derrames
descargan en el curso de agua más cercano.
Se constató que en todos los casos de viviendas ubicadas a la orilla de los ríos y
quebradas, estas descargan sus aguas residuales directamente en estos cuerpos de agua.
La mayor parte de los pozos de registro y tramos se encuentran enterrados, y muchas
tapas de pozos de registro se encuentran cubiertos por las carpetas asfálticas.
107
Foto #1: MA-1, Pozo invadido por raíces.
Foto #2: MA-1, Pozo en entrada de una casa construida sobre servidumbre
108
Foto #3: MA-1, Pozo con interconexión deficiente bloqueando acceso a escalera.
Foto #4: MA-1, Escalera de acceso a Pozo con estado avanzado de corrosión.
109
Foto #5: MA-2, Pozo cubierto por capa asfáltica.
Foto #6: MA-2, Fuga de aguas negras en un pozo.
110
Foto #7: MA-2, Pozo volcado por socavamiento de la base y deslizamientos.
4.1.7.2 Tramos de colectores Los problemas que con mayor frecuencia se encontraron en los tramos de colectores
son los siguientes: 1. Presencia de maleza o charral 2. Construcción sobre el tramo 3. Terreno falseado o inestable 4. Servidumbre no ubicada
5. Derrumbe sobre el tramo 6. Presencia de árboles y otros materiales de desecho
sobre la servidumbre 7. Tramos de tubería caída
La mayor parte de tuberías caídas, bases de puentes falseadas, terrenos inestables y
derrumbes sobre tramos se presentan en los colectores del sur: María Aguilar y Tiribí, según
fuentes del AyA.
La cantidad de tramos que presentan construcciones en la servidumbre es de 18, un
17.14% de la totalidad de tramos estudiados. Tomando en cuenta la longitud promedio de los
tramos recorridos de 57.5 m por tramo, la longitud de la muestra con construcciones es de
1,035 m.
111
En general, todos los problemas tipificados se presentan en la totalidad de los tramos
estudiados de los dos colectores principales; esto hace posible hacer una extrapolación a la
totalidad de los colectores, a efectos de tener una estimación global de cuantificación de estos
problemas. El resultado de este ejercicio se presenta en el Cuadro 4-6.
Cuadro 4-6: Cuantificación de problemas detectados en la muestra extrapolada a la totalidad
de la longitud de los colectores Característica
María Aguilar
Condición de los pozos de registro Maleza, Charral y Árboles 136 Árboles y materiales de desecho 4 Relleno sobre el pozo 19 Base falseada 19 Caído 0 Desplomado 0 Tapa en mal estado o perdida 19 Tapa sellada 4 Anillo de hierro en mal estado 31 Anillo de concreto en mal estado 4 Losa en mal estado 0 Losa superior mal colocada 4 Intrusión de raíces 0 Pared en mal estado 0 Base de pozo en mal estado 0 Escalera Oxidada 16 Peldaños dañados 86 Escalera destruida 62 Sin escalera 0 Pozo obstruido 16 Pozo destruido 8 Interconexiones deficientes de aguas negras 4 Interconexión de pluvial 0 Disminución del Caudal 0 No hay flujo 4 Construcciones sobre el pozo 4 Pozo no encontrado 167 Condición de los tramos Maleza, Charral y Árboles 195 Árboles y materiales de desecho 19 Derrumbe sobre tramo 58 Terreno falseado o inestable 97 Tubería expuesta 0 Tubería rota 4 Tubería caída 12
112
Característica
María Aguilar
Flujo externo de agua 4 Tubería obstruida 0 Servidumbre no ubicada 51 Construcción sobre el tramo 70 Bases de puente en mal estado 0 Bastiones de puente en mal estado 0 Tensores de puente en mal estado 0 Tubería de puente en mal estado 0
Esta información es útil para hacer una proyección de costos de mantenimiento y
rehabilitación de los colectores. Deben tomarse en cuenta algunas excepciones en los
renglones relacionados con la condición de puentes, ya que por la poca cantidad detectada
dentro de la muestra, los datos que resultan de la extrapolación no son confiables.
Por otro lado, la cantidad cero en tubería obstruida más que ausencia total de este
problema debe interpretarse como problema no detectado durante el muestreo.
La longitud total de servidumbres con algún tipo de construcción, según esta
extrapolación resulta en 16,905 m, correspondiente a 294 tramos, según el resultado del
inventario.
En lo que se refiere a la concordancia de lo encontrado en el campo con lo que muestran
los planos de AyA, se puede afirmar que reflejan con muy buena exactitud la infraestructura
existente. Las excepciones encontradas corresponden a cambios posteriores como rellenos
que obligaron a subir el nivel de la tapa del pozo o pozos nuevos construidos en el tramo, en
posición intermedia entre los pozos originales, construidos por algún cambio importante en la
topografía o para facilitar la recolección de algún nuevo sector de urbanización. En la mayoría
de los casos se pudo constatar la fidelidad de dichos planos, aunque las referencias
geográficas que estos contienen son pocas y desactualizadas.
113
Foto #8: MA-2, Invasión de la servidumbre por construcciones formales e informales.
Foto #9: MA-2, Bodega de una casa sobre la servidumbre del colector, se puede apreciar la
tapa de Acueductos y Alcantarillados entre los escombros.
114
Foto #10: MA-1, Puente del colector al pasar el colector de un lado del río hacia el otro.
4.1.8 Resultados del estudio anterior
Los resultados del presente estudio se compararon con los del estudio anterior
contratado por el AyA en el 2001. Este estudio abarcó la totalidad de los colectores y
subcolectores, incluyendo la totalidad de los pozos y tramos de los mismos.
No es posible hacer una comparación estricta ya que en el levantamiento anterior no se
utilizaron los mismos parámetros de evaluación. Además, las unidades con que reportan estos
problemas no cuantifican dichas situaciones sino la estimación de las medidas correctivas para
rehabilitar los sistemas.
Hay algunas cifras a nivel global que es posible comparar, tal es el caso de las
servidumbres con construcciones, a nivel porcentual, así como la cantidad de pozos no
encontrada.
115
A nivel de detalle, tampoco es posible comparar las condiciones pozo a pozo ya que los
datos que reporta dicho informe, se refieren a una numeración diferente a la de los planos de
AyA y la correspondencia que se hace a la numeración de estos planos no concuerda con la
información que se consigna de ellos.
El citado informe registra un 10.7% de pozos no encontrados y el levantamiento actual
tiene un dato correspondiente al 41%, las cifras son muy diferentes.
La situación de servidumbres con charral es coincidente en ambos informes, con un valor
de 34% de la longitud total de colectores.
La cantidad de tramos con tubos caídos ha aumentado de 1.2% durante el estudio
anterior, a 2.9% en el presente estudio, lo cual indica que los sistemas se han deteriorado de
esa época a la actualidad.
Otra situación de coincidencia es el estado de las escaleras de los pozos, la cual
representa el problema de mayor frecuencia que presentan los pozos de registro.
Figura 4-1: Ubicación de los Tramos de la Muestra del Colector María Aguilar 1
Urbanización Paseo C
Tramo Muestra del Colector María Aguilar 1
Final del Tramo de la Muestra – Pozo MA1-CR59
Inicio del Tramo de la Muestra – Pozo MA1-CR1
116
Figura 4-2: Ubicación de los Tramos de la Muestra del Colector María Aguilar
4.2 Aplicación de un modelo matemático al colector
En este apartado se presentan los resultados que se obtienen al aplicar el modelo de
Pomeroy y Parkhurst para la predicción de las tasas de sulfuros, que fue explicado con amplios
detalles en el marco teórico de este proyecto. También se hacen los cálculos de los factores de
corrosión Z obtenidos en el colector María Aguilar.
De los modelos matemáticos de predicciones que se desarrollaron en el marco teórico,
se descartaron los modelos para tuberías llenas, ya que se supone que los alcantarillados
sanitarios trabajan como canales abiertos y en raras ocasiones trabajarían a tubería llena.
Para tuberías parcialmente llenas se propusieron tres modelos distintos, el primer modelo que
es el de Pomeroy, utiliza principalmente el parámetro de la DBO para la predicción, el de Boon
y Lister es una variación del modelo de Pomeroy que cambió las constantes y utiliza el
parámetro de la DQO, mientras que para el modelo propuesto por Thistlehwayte hace falta la
medición de la concentración de SO4 para poder ser utilizado.
Tramo Muestra del Colector María Aguilar 2
Final del Tramo de la Muestra – Pozo MA2-CR34
Inicio del Tramo de la Muestra – Pozo MA2-CR1
Curridabat
117
Se aplicó el modelo matemático propuesto por el Dr. R.D. Pomeroy en California, dado
que ha sido ampliamente utilizado en otros países con resultados favorables, y porque es
función de la DBO, diámetro de la tubería, caudal y pendiente. Este modelo fue explicado con
sumo detalle en el capítulo 3 de este proyecto de graduación. Para poderlo utilizar se supuso
que las tuberías llegan a trabajar hasta un 75% de capacidad, es decir con una altura de flujo
de aguas residuales máxima de 0.75d (75% del diámetro de esta). Se supone un 75% de altura
de flujo, dado que cuando se diseña se procura diseñar para siempre asegurarse al menos un
25% de altura de ventilación y aireación dentro de las tuberías21.
También se calcularon algunos valores del factor de corrosión Z, el cual fue explicado
con detalles en el marco teórico de este proyecto de graduación. En las siguientes páginas se
muestran todos los cálculos realizados para los dos modelos, el de predicciones de Pomeroy y
Parkhurst y los de los factores de corrosión Z. Se muestran los cálculos por separado para
cada uno de los dos escenarios, el de época lluviosa primero y el de la época seca de segundo.
Para poder realizar estos cálculo, se utilizaron las fórmulas descritas en el marco
teórico, información obtenida en el campo durante la evaluación física del colector, y los
resultados obtenidos de las pruebas de laboratorio realizadas por el Laboratorio Nacional de
Aguas del Instituto Costarricense de Acueductos y Alcantarillados. Los resultados de cada una
de las pruebas hechas por el Laboratorio Nacional de Aguas se adjuntan en el Anexo 2.
21 Fuente: Ing. Napoleón Cruz
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
Capítulo 5
Conclusiones y recomendaciones
5.1 Caracterización de las aguas en el Colector María Aguilar Las aguas que se trataron fueron tomadas en un punto cercano a donde descarga las
aguas residuales el Colector María Aguilar, es decir un punto adonde han llegado todas las
aguas provenientes del colector para posteriormente descargar hacia el Río María Aguilar. Este
punto se ubica en Hatillo 8, se puede apreciar en los mapas del colector en los anexos, que es
hacia el final del Colector María Aguilar 1.
El periodo experimental del proyecto contempla dos escenarios, el más reciente es el
escenario de Abril, que corresponde a la época seca y el segundo escenario Octubre, que es la
época lluviosa. Por tanto, debido a ambas situaciones tan diferentes, se describirán las
propiedades del agua según las condiciones meteorológicas imperantes al momento de cada
uno de los análisis. Existen parámetros que se refieren a cientos de compuestos que podrían estar
presentes en el agua y causar distintos efectos. Sin embargo, cuando se hace el análisis o el
control de un proceso determinado, se eligen solo algunos de ellos, relacionados con lo que se
quiere evaluar. En este caso en particular el interés se centró en los indicadores físicos de
temperatura, conductividad y contenido de sólidos; los indicadores químicos pH, alcalinidad,
COT, DBO, DQO, nitritos, nitratos, fósforo, grasas y aceites, y detergentes; y los indicadores
bacteriológicos coliformes totales y fecales. Estos se definieron y se describieron en el capítulo
tres.
Los análisis que fueron ejecutados en este proyecto de graduación representan la
caracterización fisicoquímica de una muestra compuesta integrada a partir de 24 sub-muestras
proporcionales al caudal horario en un periodo de 24 horas. Para la realización de estos
análisis se siguieron las metodologías del “Standard Methods For the Examination of Water and
Wastewater”, que es la normativa que utiliza el Laboratorio Nacional de Aguas del Instituto
Costarricense de Acueductos y Alcantarillados. Asimismo, el departamento de Estudio y
Proyectos del AyA a través del Departamento de Mantenimiento del Alcantarillado Sanitario del
141
Plantel La Uruca, fue el responsable de la ejecución de éstas pruebas y para ello se utilizaron
cuadrillas con una amplia experiencia en la realización de este tipo de muestreos compuestos.
5.2 Caracterización de las aguas de salida en el Colector María Aguilar Las aguas que se trataron fueron tomadas en un punto muy cercano a la salida y punto
final del Colector María Aguilar. El colector esta a su vez subdividido en dos partes, es decir el
Colector María Aguilar 1 que corresponde a la parte baja (final del colector) de la cuenca, y el
Colector María Aguilar 2 que corresponde a la parte alta (inicio del colector) de la cuenca. En el
mapa adjunto en el anexo, se puede observar que el final del Colector María Aguilar 1 se
encuentra justo sobre Hatillo 8, en una zona de precarios algunas cuadras después de la
Escuela Jorge Debravo. El colector descarga todas sus aguas crudas y sin previo tratamiento
en el río María Aguilar justo antes de la confluencia con el río Tiribí. (ver mapa en el anexo). Para lograr obtener dos escenarios distintos y no solamente el que se presenta en Abril,
se utilizaron pruebas que ya habían sido realizadas por el Departamento de Estudios y
Proyectos del AyA en Octubre. Es decir, contamos con los resultados de la época lluviosa y la
época seca en el Colector. Este factor es muy importante, ya que está más que comprobado
que al alcantarillado sanitario están entrando una gran cantidad de conexiones ilícitas de agua
de lluvia, esto además de los caudales de infiltración comunes, y los que entran por las juntas
en mal estado, agujeros de los pozos y aumentos del nivel freático en el invierno.
Cuadro 5-1: Límites máximos permisibles para el vertido de aguas residuales en cuerpos de agua en Costa Rica, según el Reglamento de Uso y reuso de AR.
PARÁMETRO LÍMITE MÁXIMO
Grasas/aceites 30 mg/l Potencial hidrógeno 5 a 9 Temperatura 15°C ≤ T ≤ 40°C Sólidos sedimentables 1 ml/l Materia flotante Ausente Cloro residual 1 mg/l Color 50 Sulfitos 1 mg/l Sulfuros 25 mg/l Fluoruros 10 mg/l Sumatoria de los compuestos órgano fosforados 0,1 mg/l Sumatoria de los carbamatos 0,1 mg/l Sumatoria de los compuestos organoclorados 0,05 mg/l
Fuente: Reglamento de vertido y re uso de aguas residuales, MINAE.
142
Cuadro 5-2: Composición físico-química del agua residual. ÉPOCA LLUVIOSA
Fecha . Variable
21-Oct. 22-Oct. 23-Oct. 24-Oct. 25-Oct. 26-Oct. Promedio
N° Muestra 6 10 11 18 19 22 Temperatura, °C 20.8 20.9 20.8 20.6 21.6 20.8 20.92 pH 6.78 6.74 6.83 6.79 6.96 6.9 6.83 Conductividad, µS/cm 351 378 266 320 390 441 358 Caudal, l/s 406.46 392 591 370.22 297.5 288.89 391.01 COT, mg/l 49 41 31 54 65 59 50 DBO, mg/l 197 189 148 196 174 110 169 DQO, mg/l 271 228 172 216 327 295 252 Carga DBO, kg/día 6918 6401 7557 6269 4479 2746 5728 Carga DQO, kg/día 9517 7722 8783 6909 8418 7363 8119 Población equivalente (DBO), hab 128116 118541 139949 116101 82949 50845 106084 Población equivalente (DQO), hab 79308 64351 73189 57577 70149 61360 67656 Relación DQO/COT 5.53 5.56 5.55 4 5.03 5 5 Relación DQO/DBO 1.38 1.21 1.16 1.1 1.88 2.68 2 Relación DBO/COT 4.02 4.61 4.77 3.63 2.68 1.86 4 Fósforo, mg/l 4.5 - 6 - - - 5 Grasas y aceites, mg/l 10 - 13 - - - 12 Nitrógeno Amoniacal, mg/l 4.2 - 6 - - - 5 Nitrógeno Orgánico, mg/l 4 - 5 - - - 5 Nitrógeno Total, mg/l 8.2 - 11 - - - 10 Detergentes (ABS), mg/l 3 - 2.5 - - - 3 Sólidos Totales, mg/l 372 - 456 - - - 414 Sólidos Suspendidos, mg/l 199 170 189 210 226 211 201 Sólidos Suspendidos Sedimentables, ml/l/hr 3.4 2.3 2 2.4 3.5 4.3 3
Observaciones: 1. Las muestras analizadas se obtuvieron mediante muestreo compuesto de 24 horas y proporcional al caudal horario 2. Para la estimación de la población equivalente basada en la DBO, expresado como N° de habitantes, se utilizó el factor estadístico de 0.054 kg DBO/hab/día. 3. Para la estimación de la población equivalente basada en la DQO, expresado como N° de habitantes, se utilizó el criterio francés de 0.120 kg DQO/hab/día. 4. La DBO soluble corresponde a la del sobrenadante en la prueba de sedimentabilidad.
Fuente: El autor, ver todas las pruebas en el anexo.
143
Cuadro 5-3: Composición físico-química del agua residual. ÉPOCA SECA
Fecha . Variable
15-Abril 16-Abril 17-Abril 18-Abril 19-Abril 20-Abril
PromedioN° Muestra 50 56 57 59 61 65 Temperatura, °C 19.9 19.7 20 19.9 19.9 19.2 19.8 pH 7.10 7.09 7.02 7.12 7.08 7.03 7.07 Conductividad, µS/cm 656 660 620 612 636 606 632 Caudal, l/s 245.46 161.37 190.06 187.02 188.08 210.55 197.09 COT, mg/l 128 96 135 107 101 164 122 DBO, mg/l 243 200 276 258 190 328 249 DQO, mg/l 701 699 620 621 620 612 646 Carga DBO, kg/día 5153 2788 4532 4169 3088 5967 4283 Carga DQO, kg/día 14867 9746 10181 10034 10075 11133 11006 Población equivalente (DBO), hab 95435 52638 83930 77202 57176 110497 79480 Población equivalente (DQO), hab 123889 81214 84843 83620 83959 92777 91717 Relación DQO/COT 5.48 7.28 4.59 5.80 6.14 3.73 5.50 Relación DQO/DBO 2.88 3.50 2.25 2.41 3.26 1.87 2.70 Relación DBO/COT 1.90 2.08 2.04 2.41 1.88 2.00 2.05 Fósforo, mg/l 9 10 9.5 Grasas y aceites, mg/l 14 12 13 Nitrógeno Amoniacal, mg/l 11 13 12 Nitrógeno Orgánico, mg/l 10 9 9.5 Nitrógeno Total, mg/l 21 22 21.5 Detergentes (ABS), mg/l 5.5 5.9 5.7 Sólidos Totales, mg/l 712 960 836 Sólidos Suspendidos, mg/l 260 248 237 229 243 241 243 Sólidos Suspendidos Sedimentables, ml/l/hr 5.4 5.7 5.5 5.9 4.6 6.3 5.6
Observaciones: 1. Las muestras analizadas se obtuvieron mediante muestreo compuesto de 24 horas y proporcional al caudal horario 2. Para la estimación de la población equivalente basada en la DBO, expresado como N° de habitantes, se utilizó el factor estadístico de 0.054 kg DBO/hab/día. 3. Para la estimación de la población equivalente basada en la DQO, expresado como N° de habitantes, se utilizó el criterio francés de 0.120 kg DQO/hab/día. 4. La DBO soluble corresponde a la del sobrenadante en la prueba de sedimentabilidad.
Fuente: El autor, ver todas las pruebas en el anexo.
144
5.3 Análisis de las aguas residuales en el colector María Aguilar
A continuación se hará un análisis de los resultados obtenidos por las pruebas de
laboratorio a las aguas a la salida del colector. Como las pruebas se hicieron para los dos
escenarios reales, lluvioso y seco, se discutirán y compararan ambos resultados. Los
resultados individuales de cada una de las muestras compuestas se adjuntan en los anexos.
La demanda bioquímica de oxígeno (DBO) se define usualmente como la cantidad de
oxígeno que requieren las bacterias durante la estabilización de la materia orgánica susceptible
a la descomposición en condiciones aeróbicas. Podemos observar, que el promedio de la DBO
es de 169 mg/l en época lluviosa y de 249 mg/l en la época seca, es de esperar que sea un
valor menor en invierno, dado que las invasiones de aguas no residuales (de lluvia
principalmente) diluyen las residuales. Esta condición que en principio parecería ser favorable,
es más bien crítica. Es tan alto el porcentaje de aguas que ingresan ilícitamente al colector, que
está sobrepasando la capacidad hidráulica de este, el cual no fue diseñado pensando en el
problema tan grave existente. Otro problema de las conexiones ilícitas es la cantidad tan alta
de caudal que llegaría a la eventual planta de tratamiento, encareciendo el costo de esta, el
tratamiento de las aguas y probablemente sobrepasando la capacidad de la planta durante la
época lluviosa. Es tan evidente el problema de las conexiones ilícitas, que se corroboró con los
caudales medidos promedios, un 50% más que los de época seca, como se puede apreciar en
los cuadros 5-2 y 5-3.
Los datos de la DBO tienen una extensa aplicación en la práctica de la ingeniería
ambiental. Es la prueba más importante que se aplica a los residuos domésticos e industriales
para determinar su concentración, en términos del oxígeno que se requiere para su
estabilización. Es la única prueba aplicada que da una medida de la cantidad de materia
orgánica biológicamente oxidable presente que se puede usar para determinar las velocidades
a las que ocurre la oxidación, o a las que se lleva a cabo la DBO, en las aguas receptoras. La
información de la DBO de los residuos es una consideración importante para el diseño de los
equipos de tratamiento; es un factor para la elección del método de tratamiento, y se usa para
determinar el tamaño de ciertas unidades, especialmente de los filtros percoladores y de las
unidades de lodo activado. Después de que las plantas de tratamiento comienzan a operar, las
pruebas se usan para evaluar la eficiencia de los diferentes procesos. La DBO es una de las
145
variables normalmente usadas para el cálculo de los costos, en particular cuando se realiza un
tratamiento secundario con procesos biológicos.
En lo concerniente a la temperatura del agua residual, ésta tiene un promedio de
alrededor de 20-21°C en ambas épocas, es un valor bastante aceptable, incluso es casi igual al
valor promedio de la temperatura ambiente para esas épocas del año. Recordemos, que a
mayores temperaturas es más crítico el problema de la septicidad de las aguas residuales, al
acelerarse los procesos químicos y bacteriológicos que tornan las aguas hacia condiciones
anaeróbicas. Si la planta de tratamiento tiene un proceso aeróbico, entonces el hecho de que
lleguen a ésta aguas muy sépticas implica aumento de costos como tanques aireadores,
aditivos de químicos u otros para inyectarle oxígeno a las aguas, para mantener niveles
aceptables de OD, ver el cuadro 5-5.
El agua residual doméstica tiene cantidades relativamente altas de compuestos de
fósforo. “Antes de la aparición de los detergentes sintéticos, el contenido de fósforo inorgánico
usualmente variaba entre 2 y 3 mg/l y el de las formas orgánicas entre 0.5 y 1 mg/l”22. La
mayor parte del fósforo inorgánico era aportada por los desechos humanos, como resultado de
la degradación metabólica de las proteínas y la eliminación de los fosfatos presentes en la
orina. Se midieron las concentraciones de fósforo en época lluviosa y seca, pero resulta
evidente que su valor de 5 mg/l (época lluviosa) y de 9.5 mg/l (época seca) es principalmente
debido al alto uso de detergentes sintéticos en los hogares de nuestro país, los cuales vierten
sus aguas al alcantarillado sanitario.
La mayoría de las fórmulas de detergentes fuertes diseñadas para el mercado
doméstico contienen grandes cantidades de polifosfatos. Muchos de los detergentes contienen
del 12 al 13% de fósforo, o más del 50% de polifosfatos. “Se ha calculado que las aguas
domésticas probablemente contienen en la actualidad 2 a 3 veces más fósforo inorgánico que
lo que contenían antes de que se aumentara el uso de los detergentes sintéticos”23. Cabe
destacar que el fosfato ha sido usado principalmente para la prevención de la corrosión y el
control de la costra en calderas en las plantas de vapor.
22 Sawyer, McCarty, Parkin: Química para Ingeniería Ambiental. 4° Edición, Ed. McGraw Hill, 2000. 23 Ibid.
146
Al aceite y a la grasa se les concede especial atención por su escasa solubilidad en el
agua y su tendencia a separarse durante la fase acuosa. Si bien estas características son una
ventaja para facilitar la separación del aceite y la grasa mediante el uso de sistemas de
flotación, complican el transporte de los residuos por las tuberías, su destrucción en unidades
de tratamiento biológico y su disposición en las aguas receptoras. Se observan valores de
grasas y aceites de 12-13 mg/l, valor inferior al límite máximo establecido para el vertido de
aguas residuales en cuerpos de aguas por el MINAE, que es de 30 mg/l.
Los alcantarillados que funcionan por gravedad proporcionan un ambiente anormal para
los cambios biológicos de los compuestos de azufre presentes en las aguas residuales. En
realidad, el alcantarillado es parte de un sistema de tratamiento, pues continuamente ocurren
cambios biológicos durante el transporte. Estos cambios requieren oxígeno, y si no se aportan
suficientes cantidades mediante la re-aireación natural con el aire del alcantarillado tiene lugar
la reducción de los sulfatos y se forman sulfuros. A los niveles de pH normales de las aguas
residuales domésticas, la mayor parte del sulfuro se convierte a sulfuro de hidrógeno, y parte
escapa a la atmósfera que está sobre el agua residual. En este caso no se produce daño si el
alcantarillado tiene buena ventilación, y las paredes y la corona están secas. Sin embargo, en
los alcantarillados mal ventilados se acumula humedad en las paredes y la corona. El sulfuro
de hidrógeno se disuelve en esta agua, en cantidad proporcional a su presión parcial en la
atmósfera del alcantarillado; como tal, no es perjudicial.
Las bacterias capaces de oxidar el sulfuro a ácido sulfúrico proliferan en la naturaleza y
siempre están presentes en las aguas residuales domésticas. Es natural que algunos de estos
organismos infecten las paredes y coronas de los alcantarillados en momentos de alto flujo, o
en alguna otra forma. Debido a las condiciones aeróbicas que existen normalmente en los
alcantarillados por encima del agua residual, estas bacterias oxidan el sulfuro de hidrógeno a
ácido sulfúrico, y éste, como es un ácido fuerte, ataca el concreto. Las bacterias del género
tiobacilos son capaces de oxidar el sulfuro a ácido sulfúrico a valores de pH tan bajos como 2, y
son los responsables de este problema. En el capítulo 4 de este proyecto de graduación se
explicó con mayores detalles este proceso.
En el tratamiento de aguas residuales mediante procesos biologicos, el pH se debe
mantener en un margen favorable para los organismos específicos que intervienen. Los
procesos químicos usados para coagular las aguas residuales, desecar los lodos u oxidar
147
ciertas sustancias, requieren que el pH se mantenga dentro de límites muy estrechos. Los
resultados de las pruebas sobre pH, son muy similares en ambos escenarios, con un valor muy
cercano a 7. En verano el pH es ligeramente mayor que 7, siendo de 7.1; mientras que en
invierno es ligeramente menor que 7, siendo de 6.8. Los resultados que se obtuvieron de pH
no son críticos, es decir que el pH anda dentro de un rango aceptable, muy cercano a la
neutralidad y no es un factor preocupante dentro del Colector María Aguilar.
Cuadro 5-4: Factores que afectan la generación de sulfuros y corrosión en un alcantarillado.
Factor Efectos Características de las Aguas Residuales Oxígeno disuelto Valores bajos de OD favorecen la
proliferación de bacterias, condiciones anaeróbicas y la subsiguiente generación de sulfatos.
Demanda bioquímica de oxígeno Valores altos de la DBO favorecen el crecimiento microbiano y la reducción del OD.
Temperatura Altas temperaturas incrementan la tasa de crecimiento microbiano y disminuyen el OD.
pH Valores bajos de pH favorecen la aparición del gas H2S.
Presencia de compuestos con sulfuros Compuestos con sulfatos requeridos para la generación de sulfuros.
Características del sistema de Alcantarillado Sanitario Pendiente Afecta los grados de re-aireación, la
sedimentación de los sólidos, la liberación del gas H2S hacia la atmósfera, y el grosor de la capa de lodos dentro del alcantarillado.
Turbulencia Produce los mismos efectos que la pendiente y la velocidad.
Material de la tubería La resistencia a la corrosión de los materiales varía ampliamente entre las de PVC, concreto, acero, asbesto-cemento u otros.
Alcalinidad del concreto Altos valores de alcalinidad del concreto de las tuberías, reducen la tasa de corrosión.
Acumulación de escombros y sedimentos Bajan las velocidades del flujo, forman encharcamientos, atrapan sólidos orgánicos.
Fuente: el autor.
148
La corrosión detectada está limitada a los elementos de acero del alcantarillado, como
tapas de acero, anillos de acero o las escaleras de acceso a los pozos. Es decir, que la
corrosión se debe en su mayoría a la presencia del gas H2S, que es capaz de corroer el acero
en su forma gaseosa. Se verificó en el campo que en muchos de los pozos al abrir las tapas se
podía detectar fácilmente un olor característico como de huevo podrido, que es el olor asociado
al sulfuro de hidrógeno.
En otros países de ha controlado la generación de malos olores debidos al gas H2S, a
través de la adición de peróxido de hidrógeno, gas cloro u otros aditivos químicos más
complejos. Este tema de control de olores queda fuera del alcance de este proyecto de
graduación y actualmente lo está desarrollando la estudiante Melanie Pirie como otro proyecto
de graduación. En el siguiente cuadro, se detallan algunas técnicas existentes para controlar la
generación de sulfuros.
Cuadro 5-5: Técnicas para controlar la producción de sulfuros
Técnica Frecuencia de uso
Costo Relativo
Ventajas Desventajas
I. Oxidación Inyección de aire
Baja, limitada por aplicación
Bajo Bajos costos, agrega OD a las aguas residuales.
Es solo aplicable en tuberías principales a presión
Inyección directa de oxígeno
Baja en los EEUU, alta en el Reino Unido y Australia
Bajo Cincos veces más solubilidad que el aire, muy económico en tuberías principales a presión, agrega OD.
Lograr una buena tasa de transferencia de O2, es algo difícil.
Inyección de aire por encima del flujo.
Muy bajo Medio Es aplicable en alcantarillados sanitarios por gravedad y en los pozos de estos.
Riesgo potencial de que el gas no entre en la solución de las aguas residuales.
Peróxido de hidrógeno
Alto Medio Efectivo en el control de la corrosión y de los olores en alcantarillados por gravedad, uso simple.
Los costos pueden llegar a ser muy altos cuando se requieren altas dosis.
149
Cloro Alto Medio a alto
Aplicable a alcantarillados sanitarios por gravedad o tuberías principales a presión.
Riesgos a la seguridad.
Permanganato de potasio.
Bajo Alto Efectivo, agente oxidante muy poderoso.
Altos costos, difícil de manejar.
II. Precipitación
Sales de hierro
Alto Bajo a medio
Puede ser utilizado para controlar los sulfuros en alcantarillados por gravedad o tuberías principales a presión
No controla otros olores no relacionados con el H2S, controlar los sulfuros hasta niveles bajos puede ser difícil de lograr.
Sales de zinc Muy baja Medios a altos
Menos soluble que el hierro, puede inhibir a las bacterias reductoras de sulfatos debido a su toxicidad.
No es económico comparado con las sales de hierro, su descarga es regulada debido a su toxicidad.
III. Elevación del pH
Hidróxido de sodio
Medio Bajo Aplicación intermitente y económica.
Puede llegar a requerirse un manejo cuidadoso de los lodos con valores de ph muy altos en la planta de tratamiento
IV. Otros Nitrato de sodio
Muy bajo Medio a alto
Previene la reducción de los sulfatos a sulfuros.
Solo tiene aplicación para prevenir la formación de sulfuros
Fuente: USEPA: Hydrogen Sulfide Corrosion in Wastewater Collection and Treatment Systems,
Report to Congress. Technical report. Mayo 1991
150
5.4 Análisis de los resultados al aplicar uno de los modelos matemáticos de corrosión al colector María Aguilar
De los modelos matemáticos de predicciones que se desarrollaron en el marco teórico,
se descartaron los modelos para tuberías llenas, ya que se supone que los alcantarillados
sanitarios trabajan como canales abiertos y en raras ocasiones trabajarían a tubería llena.
Para tuberías parcialmente llenas se propusieron tres modelos distintos, el primer modelo que
es el de Pomeroy, utiliza principalmente el parámetro de la DBO para la predicción, el de Boon
y Lister es una variación del modelo de Pomeroy que varió las constantes y utiliza el parámetro
de la DQO, mientras que para el modelo propuesto por Thistlehwayte hace falta la medición de
la concentración de SO4 para poder ser utilizado.
Se aplicó el modelo matemático propuesto por el Dr. R.D. Pomeroy en California24, dado
que ha sido ampliamente utilizado en otros países con resultados favorables, y porque es
función de la DBO, diámetro de la tubería, caudal y pendiente. Este modelo fue explicado con
sumo detalle en el capítulo 3 de este proyecto de graduación. Para poderlo utilizar se supuso
que las tuberías llegan a trabajar hasta un 75% de capacidad, es decir con una altura de flujo
de aguas residuales máxima de 0.75d (75% del diámetro de esta). Se supone un 75% de altura
de flujo, dado que cuando se diseña se procura diseñar para siempre asegurarse al menos un
25% de altura de ventilación y aireación dentro de las tuberías25.También se calcularon algunos
valores del factor de corrosión Z, el cual fue explicado con detalles en el capítulo 3 de esta
investigación.
Los cálculos completos paso por paso se pueden consultar en el capítulo 4, tanto para
la época lluviosa como para la época seca. Debemos de recordar que la velocidad, la
profundidad de sumergencia, y concentración de las aguas residuales varía diariamente, y
habrá también un ciclo de temperaturas anual. Es debido a estas razones, que las
concentraciones y tasas de corrosión pueden llevarse a cabo para varias combinaciones y
condiciones distintas que pueden prevalecer dentro de los alcantarillados sanitarios.
El modelo matemático propuesto por Pomeroy y Parkhurst predice la tasa máxima de
formación de sulfuros en la capa de lodos que se forma en la parte inferior de un alcantarillado
24 Pomeroy, Johnston & Bailey, 1974. “Sulfide Control in Sanitary Sewerage Systems”. (Technology Transfer Manual) US EPA. 25 Fuente: Ing. Napoleón Cruz
151
sanitario dependiendo de la profundidad hidráulica promedio, el diámetro de la tubería, la
pendiente, la velocidad y el valor de la DBO. Se corrió el modelo del Dr. Pomeroy en una hoja
electrónica, tanto para la época lluviosa como para la época seca.
Gráfico 5-1: Tasa Inicial esperada de concentración de sulfuros, cuando d = 0.3 m, Época Lluviosa
0.74 0.71
0.55
0.72 0.69
0.41
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
1 2 3 4 5 6
Número de muestra
Con
cent
raci
ón d
e su
lfuro
s (m
g/l-h
r)
Tasa Inicial Sulfuros
Fuente: El autor, ver todos los cálculos en el Capítulo 4.
Si comparamos los gráficos 5-1 a 5-4, podemos apreciar que las concentraciones
iniciales esperadas de sulfuros en mg/l-hr, aumentan durante la época seca y disminuyen
durante la lluviosa. Se puede corroborar que si los diámetros de la tubería aumentan, la tasa
inicial de la formación de sulfuros disminuye.
152
Gráfico 5-2: Tasa Inicial esperada de concentración de sulfuros, cuando d = 0.3 m, Época Seca
0.85
0.69
0.980.91
0.67
1.10
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1 2 3 4 5 6Número de muestra
Con
cent
raci
ón d
e su
lfuro
s (m
g/l-h
r)
Tasa Inicial Sulfuros
Fuente: El autor, ver todos los cálculos en el Capítulo 4.
Gráfico 5-3: Tasa Inicial esperada de concentración de sulfuros, cuando d = 1.1 m, Época Lluviosa
0.20 0.19
0.15
0.20 0.19
0.11
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
1 2 3 4 5 6Número de muestra
Con
cent
raci
ón d
e su
lfuro
s (m
g/l-
hr)
Tasa Inicial Sulfuros
Fuente: El autor, ver todos los cálculos en el Capítulo 4.
153
Gráfico 5-4: Tasa Inicial esperada de concentración de sulfuros, cuando d = 1.1 m, Época Seca
0.23
0.19
0.270.25
0.18
0.30
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
1 2 3 4 5 6Número de muestra
Con
cent
raci
ón d
e su
lfuro
s (m
g/l-h
r)
Tasa Inicial Sulfuros
Fuente: El autor, ver todos los cálculos en el Capítulo 4.
De acuerdo con el modelo de Pomeroy y Parkhurst, las concentraciones de sulfuros en
tuberías parcialmente llenas alcanzan un nivel límite, el cual designamos como [ ]limS , donde
las pérdidas igualan a las ganancias. Para el colector María Aguilar, las concentraciones
máximas o límite que se podrían esperar dependen de la pendiente que se le de a la tubería.
Podemos observar en los gráficos 5-5 a 5-8, que las concentraciones límite alcanzadas
disminuyen conforme se aumento la pendiente, de esta forma se obtuvieron las menores
concentraciones para una pendiente del colector de alrededor de un 2%. Es importante
destacar que de continuarse aumentando la pendiente no seguiría siendo tan significativa la
disminución de estas concentraciones, ya que se puede apreciar en los gráficos que la curva
tiende a generar una asíntota horizontal. Si se llegan a utilizar pendientes tan bajas como de
0.2% para tuberías con diámetros superiores o iguales a 1 m, se pueden esperar
concentraciones límite que superan a 1 mg/l.
154
Gráfico 5-5: [S]lim promedio (mg/l),cuando d =1.1 m dependiendo de la pendiente de la tubería.
Época Lluviosa.
1.14
0.81
0.62 0.570.48
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
0.00% 0.50% 1.00% 1.50% 2.00% 2.50%
s%
[S]li
m p
rom
edio
(mg/
l)
[S]lim promedio (mg/l)
Fuente: El autor, ver todos los cálculos en el Capítulo 4.
Gráfico 5-6: [S]lim promedio (mg/l),cuando d =1.1 m dependiendo de la pendiente de la tubería.
Época Seca.
1.99
1.41
1.09 0.990.84
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
0.00% 0.50% 1.00% 1.50% 2.00% 2.50%
s%
[S]li
m p
rom
edio
(mg/
l)
[S]lim promedio (mg/l)
Fuente: El autor, ver todos los cálculos en el Capítulo 4.
155
Gráfico 5-7: [S]lim promedio (mg/l),cuando d =0.3 m dependiendo de la pendiente de la tubería.
Época Lluviosa.
0.43
0.31
0.24 0.210.18
0.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.50
0.00% 0.50% 1.00% 1.50% 2.00% 2.50%
s%
[S]li
m p
rom
edio
(mg/
l)
[S]lim promedio (mg/l)
Fuente: El autor, ver todos los cálculos en el Capítulo 4.
Gráfico 5-8: [S]lim promedio (mg/l),cuando d =0.3 m dependiendo de la pendiente de la tubería.
Época Seca.
0.75
0.53
0.41 0.370.32
0.000.100.200.300.400.500.600.700.80
0.00% 0.50% 1.00% 1.50% 2.00% 2.50%
s%
[S]li
m p
rom
edio
(mg/
l)
[S]lim promedio (mg/l)
Fuente: El autor, ver todos los cálculos en el Capítulo 4.
156
Gráfico 5-9: t1/2 promedio (hrs),cuando d =1.1 m dependiendo de la pendiente de la tubería.
Época Lluviosa.
14.99
10.63
8.20 7.436.32
0.002.004.006.008.00
10.0012.0014.0016.00
0.00% 0.50% 1.00% 1.50% 2.00% 2.50%
s%
t1/2
pro
med
io (h
rs)
t 1/2 promedio (hrs)
Fuente: El autor, ver todos los cálculos en el Capítulo 4.
Gráfico 5-10: t1/2 promedio (hrs),cuando d =1.1 m dependiendo de la pendiente de la tubería.
Época Seca.
19.18
13.6010.49 9.51
8.09
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
0.00% 0.50% 1.00% 1.50% 2.00% 2.50%
s%
t 1/2
pro
med
io (h
rs)
t 1/2 promedio (hrs)
Fuente: El autor, ver todos los cálculos en el Capítulo 4.
157
Gráfico 5-11: t1/2 promedio (hrs),cuando d =0.3 m dependiendo de la pendiente de la tubería.
Época Lluviosa.
4.09
2.90
2.24 2.031.72
0.000.501.001.502.002.503.003.504.004.50
0.00% 0.50% 1.00% 1.50% 2.00% 2.50%
s%
t1/2
pro
med
io (h
rs)
t 1/2 promedio (hrs)
Fuente: El autor, ver todos los cálculos en el Capítulo 4.
Gráfico 5-12: t1/2 promedio (hrs),cuando d =0.3 m dependiendo de la pendiente de la tubería.
Época Seca.
5.23
3.71
2.86 2.592.21
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
0.00% 0.50% 1.00% 1.50% 2.00% 2.50%
s%
t 1/2 p
rom
edio
(hrs
)
t 1/2 promedio (hrs)
Fuente: El autor, ver todos los cálculos en el Capítulo 4.
158
Por conveniencia, también puede recurrirse a utilizar la vida media, que es, el tiempo
para el cual el proceso alcanza la mitad del camino hasta el estado límite [S]lim, discutidos
anteriormente. La vida media se denomina como 21t y se expresa en horas. En los gráficos 5-9
a 5-12, se pueden apreciar las tendencias de la vida media, cada valor de vida media está
asociado a un diámetro de tubería y un valor de pendiente. Es decir, cada uno de estos valores
es igual a la mitad del tiempo promedio que se dura en alcanzar una concentración límite [S]lim,
así cada valor de 21t está asociado a su respectivo valor de [S]lim, de los gráficos 5-5 a 5-8.
En el colector María Aguilar, en época seca, y para diámetros de 1.1 m hay tiempos
medios de 19.18 horas, para llegar a alcanzar la mitad de la concentración límite que se puede
esperar de sulfuros ([S]lim = 1.99 mg/l). Mientras que para ese mismo diámetro y en época
lluviosa hay tiempos de vida media de 15 horas para una [S]lim = 1.14 mg/l. También se puede
notar en los gráficos que estos valores de vida media disminuyen drásticamente sus valores así
como se disminuyan los diámetros de las tuberías. Así, para los inicios del colector María
Aguilar, en donde existen tramos iniciales con diámetros del orden de los 0.3 m, las
concentraciones límites esperadas serán menores que al final del colector, pero asimismo los
tiempos que se tardan en alcanzar esas concentraciones serán menores.
En cuanto a los cálculos del factor de corrosión Z, se puede apreciar en los gráficos 5-
13 y 5-14, que casi todos los valores obtenidos estuvieron por debajo de 7 500, recordemos
que los valores del factor de corrosión Z son adimensionales. Antes de interpretar el significado
del factor de corrosión Z, es necesario mencionar que ni la formula de Z ni ninguna otra fórmula
o ecuación, cuando es aplicada a un alcantarillado sanitario en particular, puede darnos una
respuesta a las condiciones de sulfuros en un tramo, dado que las contribuciones de aguas
arriba no pueden ser ignoradas. Algunas de las condiciones de aguas arriba que pueden influir
son, tuberías principales a presión en donde la acumulación de sulfuros es muy probable,
alcantarillados por gravedad que presentan las condiciones necesarias para la acumulación de
sulfuros, o descargas con alto contenido de sulfatos de algunas industrias. Lo que las
ecuaciones indican es si habrá una tendencia favorable o no a la acumulación de sulfuros, para
el tramo en donde se hacen los cálculos.
159
Gráfico 5-13: Factores de corrosión Z Época Lluviosa
0.0500.0
1000.01500.02000.02500.03000.03500.04000.04500.05000.0
0.20% 0.50% 1.00% 1.30% 2.00%
S%
Fact
or C
orro
sión
Z
Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Muestra 4 Muestra 5 Muestra 6
Fuente: El autor, ver todos los cálculos en el Capítulo 4.
Gráfico 5-14: Factores de corrosión Z Época Seca
0.01000.02000.03000.04000.05000.06000.07000.08000.09000.0
0.20% 0.50% 1.00% 1.30% 2.00%
S%
Fact
or C
orro
sión
Z
Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Muestra 4 Muestra 5 Muestra 6
Fuente: El autor, ver todos los cálculos en el Capítulo 4.
160
Se obtuvieron valores de Z muy interesantes, ya que casi siempre están por debajo de 7
500, es decir que según esto en el Colector María Aguilar pueden llegar a alcanzarse
concentraciones pico de algunos décimos de mg/l de sulfuro disuelto. Puede ocurrir corrosión
leve del concreto y de la mampostería de sus estructuras. Algún tipo de corrosión substancial
puede ser observada algunas veces cerca de los puntos donde existe turbulencia. (ver Tabla 3-
2)
Ahora bien, comparando los resultados que arrojan estos modelos y lo que se corroboró
en el campo, en el caso del factor de corrosión Z, Si hay corrosión evidente en ciertos puntos
del colector, pero principalmente en sus partes de acero y no las de concreto. Importantes
puntos de turbulencia pueden ser las caídas a la entrada a un pozo, es por esto que en el
campo se encontraron pozos con las escaleras, los anillos y sus tapas completamente
corroídas con indicios de corrosión.
En los tramos donde ha habido colapsos, son más que todo debidos a deslizamientos
de tierra, por su cercanía con las laderas del río, o inclusive por esfuerzos de tensión sobre la
parte inferior de las tuberías, ya que estas son de concreto no reforzado, y algunos tramos han
sido sobre esforzados por construcciones cercanas. Nuevamente, el factor de corrosión Z nos
indica que cuando se obtienen valores alrededor de 7 500 la corrosión en el concreto no es
significativa y más bien es leve, esta situación es la que se está dando en el Colector del
presente estudio, ya que por medio de las visitas a campo no se encontraron casos de
corrosión severa del concreto.
Otro punto de consideración en la aplicación del factor de corrosión, es el hecho de que
de los parámetros de la ecuación, todos son variables con excepción de la pendiente de la
tubería. Además de las fluctuaciones al azar, hay cambios de temperatura dependiendo de la
época del año, y cambios diarios de caudal de aguas residuales.
Se puede notar que si la tubería esta completamente llena, el factor de corrosión Z
tiende a infinito. Esto es debido a que las tuberías completamente llenas no permiten un
contacto del agua residual con el aire, y la acumulación de sulfuros entonces depende
únicamente de la temperatura y cantidad de nutrientes que consuman las bacterias productoras
de sulfuros. Muchos de los casos críticos de acumulación de sulfuros en alcantarillados
161
sanitarios han sido debido a la producción de sulfuros en tuberías principales a presión de
estaciones de bombeo. Cuando las bombas entran en operación, la gran carga concentrada de
aguas residuales con sulfuros, usualmente es descargada en alcantarillados por gravedad,
donde entonces aparecen serias condiciones de corrosión si se usan materiales que son
sensibles a esta. Este tipo de problema usualmente lo pasan por alto los ingenieros cuando
diseñan tuberías principales de estaciones de bombeo.
El modelo de predicción de las tasas de formación o acumulación de sulfuros del Dr.
Pomeroy pareciera ser aceptable, pero la única manera de corroborar esto es por medio de
pruebas de laboratorio que midan las concentraciones de sulfuros y este tipo de prueba no fue
realizada a las aguas residuales por parte del Laboratorio Nacional de Aguas. Ahora bien,
según estos modelos matemáticos es muy extraño que esas concentraciones superen 1 mg/l
dentro del colector, además las concentraciones pico se darían hacia el final de este.
En cuanto a los fenómenos de septicidad, hay muchas ventajas que se pueden obtener
si se logran mantener las condiciones aeróbicas en las tuberías de un alcantarillado sanitario,
como lo son la reducción de los malos olores, se reduce la DBO, hay una mejor calidad de las
aguas residuales y una menor toxicidad de éstas. Existen metodologías comprobadas para
lograr mantener las condiciones aeróbicas, las cuales ofrecen ahorros potenciales a las Plantas
de Tratamiento.
Los efectos negativos de las condiciones de septicidad están más que todo asociados a
la emisión de sustancias volátiles. Las investigaciones en ingeniería ambiental realizadas en
muchas partes del mundo se concentran en predecir y utilizar las concentraciones de sulfuros
como un indicador de los problemas de los malos olores y la corrosión. A continuación se
resumen los descubrimientos más importantes:
• Los sulfuros están directamente relacionados con la corrosión en las redes de
alcantarillado, así como a problemas serios de salud.
• Los malos olores están relacionados con la fermentación y consumo de los sulfatos,
ambos procesos ocurren simultáneamente dentro de las redes de alcantarillados
sanitarios bajo condiciones sépticas.
162
• El sulfuro de hidrógeno es un compuesto con un valor relativamente alto en la constante
de la Ley de Henry de los gases, lo que la hace un gas con una alta tendencia a
escapar de las aguas residuales y tiene un olor penetrante muy parecido al olor a huevo
podrido.
• Los modelos matemáticos desarrollados hoy en día se basan en la evaluación de la
formación de sulfuros y sus concentraciones totales finales posibles en las aguas
residuales. En algunas universidades se están desarrollando actualmente nuevos
modelos o mejorando los existentes.
Algunas medidas adoptadas en otros países incluyen, la oxidación y precipitación de los
sulfuros durante la fase de aguas residuales, emisiones en la atmósfera de las tuberías,
adsorción en las paredes de las tuberías y su oxidación, e incluso ventilación y emisión hacia la
atmósfera de las ciudades por medio de chimeneas
Ningún material o técnica es efectiva al 100% para lograr controlar la generación de
sulfuros y su corrosión inducida. Las variables ambientales que determinan el éxito para la
prevención o mitigación (ya sea en las condiciones de las aguas residuales o la severidad de la
corrosión) varían con el entorno y características del sistema de alcantarillado. Únicamente
después de que se haya analizado un sistema, se pueden considerar las variables y la
efectividad de las medidas que se puedan tomar. A menudo de deben de combinar varios
métodos o utilizar distintas metodologías en diferentes puntos del sistema para combatir las
condiciones de septicidad.
La efectividad de una metodología es determinada no solo por sus propiedades físicas,
químicas o teóricas, sino que también se debe de asegurar un diseño, instalación, operación y
mantenimiento adecuados para que la técnica sea efectiva. Sin embargo, aunque los estudios
indiquen que la metodología tiene la mejor relación costo/beneficio a largo plazo, los costos
iniciales pueden llegar a exceder la capacidad monetaria de la que se dispone y por ende
forzarnos a utilizar otras metodologías menos efectivas o más baratas. Es debido a las
variaciones que se dan entre efectividad, disponibilidad, aplicabilidad, accesibilidad y
conveniencia, que las técnicas para controlar la septicidad deben de ser evaluadas caso por
caso.
163
5.5 Recomendaciones
A continuación se presentarán algunas recomendaciones que han sido utilizadas con
efectividad en otros alcantarillados sanitarios y Plantas de tratamiento de otros países.
Sabemos que la Planta de tratamiento futura por construirse probablemente sea de lodos
activados y lleve procesos aeróbicos para el tratamiento de las aguas residuales26.
5.5.1 Detección y monitoreo de la corrosión por H2S
Uno de los primeros indicadores de problemas de corrosión potencial por H2S es medir
el pH de la corona interna de la tubería y de las paredes de estas. Este es un proceso simple
en el cual se usan papeles sensibles por color al pH, los cuales se aplican a la corona de la
tubería y en la corona. Las tuberías nuevas usualmente poseen pH muy altos de alrededor de
10 a 11. Con el paso de los años bajo condiciones no corrosivas puede llegar a un pH neutral.
Las tuberías que experimentan corrosión llegan a obtener valores de pH tan bajos como 2, e
inclusive menos.
Otra técnica utilizada es la medición de los niveles de sulfatos disueltos en las paredes
y coronas de las tuberías. Esto con el fin de determinar si los sulfatos están siendo producidos
en las aguas residuales, donde y con cuál extensión están siendo liberados. Se pueden llevar a
cabo monitoreos rutinarios en estaciones de bombeo, estructuras de unión, descargas de
tuberías a presión, entradas a las plantas de tratamiento o en otros puntos de recolección y
tratamiento justificables.
Es esencial llevar a cabo inspecciones visuales rutinarias. Donde sea posible, esto
puede llevarse a cabo entrando a los pozos y alcantarillas y chequeando el sonido del material
de la tubería. Se puede utilizar un desatornillador u algún otro tipo de herramienta afilada para
poder medir hasta donde llega el producto del material corroído suave. Dado que el material
corroído ocupa más volumen que por ejemplo el concreto original, la profundidad corroída no
es una medida exacta de la cantidad de corrosión. La pérdida de concreto puede ser
aproximada midiendo o comparando con la distancia del agregado expuesto. Las tuberías del
alcantarillado también pueden ser monitoreadas a través de equipos con cámara integrada.
26 Ver Anexo 4: Información sobre plantas de Lodos Activados.
164
Existen cámaras con resoluciones lo suficientemente buenas como para identificar los
problemas de corrosión a través de la pantalla de un televisor o monitor.
Otra técnica emergente es el uso de aparatos sónicos para hacer inspecciones remotas
de las dimensiones internas de las tuberías. Se transmiten señales sónicas desde un
instrumento flotante hacia las paredes de las tuberías, posteriormente la señal es detectada
luego de ser reflejada en las paredes. Un paquete de computación desarrollado por la entidad
que vende el aparato sónico interpreta y determina las variaciones en los diámetros internos de
las tuberías a todo lo largo de esta. Por ende se pueden determinar las áreas de las tuberías
donde se han perdido cantidades considerables de material.
Una técnica que pudiera también llegarse a aplicar es la extracción de cilindros de
concreto de la corona y parte sumergida de las tuberías, para posteriormente calcular la
extensión de la pérdida de tubería por corrosión. Este método no es tan efectivo como el
anterior dada la variación tan grande que puede haber de un segmento de tubería a otro.
5.5.2 Prevención de la corrosión por H2S en sistemas existentes
Existen diferentes técnicas que han sido utilizadas para controlar la corrosión y los
malos olores asociados al H2S en sistemas de alcantarillados que ya están en funcionamiento.
Las técnicas más comunes pueden ser divididas en categorías generales como oxidantes,
precipitantes, o elevadores de pH. Los oxidantes controlan la generación de sulfuros por medio
de la oxidación química o biológica de los sulfuros a tiosulfatos o sulfatos. Estas técnicas
incluyen la adición de aire u oxígeno, o la adición de químicos como el peróxido de hidrógeno,
cloro, o permanganato de potasio. Los precipitantes controlan la generación de sulfuros
mediante la precipitación con sales de metales como cloruro de hierro, sulfato de hierro, o sales
de zinc. Los sulfuros disueltos son convertidos a precipitados insolubles, lo cual previene la
generación del gas H2S. La elevación del pH a través de dosis de choque caústico controla la
generación de sulfuros al inactivar las capas de lodo que se van formando en las paredes de
las tuberías. En el cuadro resumen 5.5, se presentó un resumen de las técnicas existentes
para controlar la generación de sulfuros. Es importante destacar que todas estas técnicas
están orientadas a reducir los niveles de sulfuros disueltos en las aguas residuales, para que se
genere una menor cantidad de H2S en la atmósfera de las alcantarillas.
165
Ninguna de estas técnicas puede ser generalizada como la que presenta un mayor
beneficio – costo. Las dosis de químicos para controlar a los sulfuros disueltos varían mucho
de un sistema a otro, y dependen de las características de las aguas residuales así como de
otra serie de factores que se deben de considerar. Las opciones para controlar la generación
de sulfuros en disolución deben de ser consideradas adecuadamente dependiendo de cada
sistema de alcantarillado sanitario. A continuación se hace una breve introducción a cada una
de estas técnicas.
5.5.2.1 Inyección de aire
La inyección de aire comprimido se aplica mas que todo en aguas residuales que viajan
a través de tuberías a presión o sifones. En estos casos, el aire es inyectado en el lado de las
descarga de las bombas para proveer de oxígeno disuelto a las aguas residuales, esto
promueve la oxidación de los sulfuros y previene la acumulación de estos. La presión en las
tuberías, al ser mayor a la presión atmosférica, promueve la disolución de mayores cantidades
de oxígeno. La inyección de aire es una alternativa económica para el control de sulfuros en
líneas que trabajan a presión.
5.5.2.2 Inyección de oxígeno
El oxígeno es 5 veces más soluble que el aire, y es por esto que es posible conseguir
valores más elevados de oxígeno disuelto en las aguas residuales. De la misma manera que
en la inyección de aire, esta metodología es más efectiva en líneas de aguas residuales
presurizadas. Sin embargo, en el sistema de alcantarillado sanitario de la ciudad de
Sacramento, California se ha utilizado en algunas de las caídas de su sistema de alcantarillado
el cual trabaja por gravedad. Esto lo han logrado por medio de una línea secundaria la cual
circula una parte de las aguas residuales por medio de tuberías a presión. En esa línea
secundaria a presión se inyectan cantidades de oxígeno, una vez saturada de oxígeno se
reintroduce en el colector que lleva las aguas residuales.
La inyección de oxígeno es generalmente una alternativa económica para controlar la
generación de sulfuros. Sin embargo, los costos anuales de las compras de oxígeno son
altamente dependientes de que tan eficientemente el oxígeno es disuelto en la solución.
166
5.5.2.3 Peróxido de hidrógeno (H2O2)
El peróxido de hidrógeno es ampliamente utilizado para controlar la generación de
sulfuros en tuberías a presión, así como en alcantarillados por gravedad. A valores de pH
neutrales y ácidos, el H2O2 oxida el H2S a azufre elemental. Las tasas de H2O2 a H2S varían
desde 1:1 hasta más de 5:1, dependiendo del grado de control deseado, las características de
las aguas residuales, los niveles iniciales de sulfuros, y el tiempo de viaje de las aguas
residuales desde la estación de inyección hasta la de control. Los costos por control de
sulfuros utilizando peróxido de hidrógeno son competitivos comparados con otro tipo de
químicos para el mismo propósito.
5.5.2.4 Cloro (Cl2)
El cloro oxida los sulfuros a sulfatos o incluso a azufre elemental. El cloro es comprado
como gas o como solución de hipoclorito de sodio. En la práctica, las tasas de dosis de Cl2:H2S
andan en los rangos típicos de 10:1 a 15:1. Sin embargo, este tipo de solución no es muy
utilizado ni recomendable. Dada la naturaleza tóxica y peligrosa del cloro gaseoso, no es
recomendable utilizarlo cerca de zonas residenciales, además los costos son muy poco
económicos.
5.5.2.5 Permanganato de potasio (KMnO4)
El permanganato de potasio es un agente oxidante muy poderoso, el cual es bastante
efectivo para controlar la generación de sulfuros. Generalmente las dosis de KMnO4:H2S son
aproximadamente de 6:1 a 7:1. El permanganato de potasio es comprado como cristales
secos. Los costos químicos son altos, además la relación beneficio – costo no es muy
alentadora.
5.5.2.6 Sales de metales
El uso de sulfato de hierro o de cloruro de hierro es bastante económico y ha sido
ampliamente utilizado en otros países para controlar la generación de sulfuros. Los metales
reaccionan con el H2S para formar un precipitado insoluble en las aguas residuales, lo cual
previene la generación del gas H2S. En la práctica, las dosis de FeSO4:H2S son de
aproximadamente 5:1, aunque en algunos casos podría ser necesario utilizar dosis más altas
167
dependiendo de las características de las aguas residuales, niveles iniciales de sulfuros, y el
grado de control deseado.
5.5.2.7 Hidróxido de sodio
El hidróxido de sodio es agregado por medio de dosis con tiempo de contacto
prolongados. La soda cáustica (NaOH) es agregado con tiempos de contacto de entre 20 y 30
minutos en dosis lo suficientemente altas como para elevar el valor de pH hasta 12.5 o 13. Los
altos valores del pH logran inactivar temporalmente las bacterias reductoras de sulfatos
logrando reducir la generación de sulfuro de hidrógeno. En cuestión de algunos días o dos
semanas, se restablecen las bacterias reductoras, y en cuando se vuelve a repetir la dosis. Si
esta técnica es utilizada muy cercana a la planta de tratamiento, se debe de garantizar que el
pH de las aguas residuales no sea tan alto que provoque daños en la actividad biológica de la
planta de tratamiento.
5.5.2.8 Otros químicos
Otro tipo de químicos han sido utilizados pata el control de la generación de sulfuros,
con ciertos grados de efectividad. El nitrato de sodio ha sido utilizado para controlar el H2S en
lagunas, filtros o columnas de carbón, pero no ha sido utilizado ampliamente para el control en
alcantarillados. Los nitratos previenen la generación de sulfuros, dado que los nitratos toman
los hidrógenos y las bacterias utilizan el oxígeno de los nitratos.
Algunos cultivos de bacterias y preparaciones de enzimas han sido utilizadas
satisfactoriamente para el control de olores y generación de H2S. Sin embargo su efectividad no
ha sido garantizada.
5.5.3 Prevención de la corrosión por H2S en sistemas que se están diseñando
Es muy importante considerar la generación de sulfuros y la corrosión cuando se va a
diseñar un sistema de recolección de aguas residuales. Aunque sea posible y necesario
incorporar estaciones de adición de químicos para controlar los sulfuros, tiene mayor beneficio
– costo, y aplicación de la ingeniería el lograr un diseño hidráulico que minimice la generación
de sulfuros. Generalmente, lo que se persigue es mantener las condiciones aeróbicas en las
168
aguas residuales. Esto se logra usualmente manteniendo velocidades adecuadas de las aguas
residuales, minimizando al máximo el uso de tuberías a presión, estaciones de bombeo, el uso
de sifones, y cualquier otro tipo de situaciones que nos generen condiciones anaeróbicas.
Bajo ciertas condiciones es posible minimizar la generación de sulfuros. Se han
desarrollado ecuaciones empíricas que predicen con bastante efectividad las tasas de
producción y acumulación de sulfuros, así como la corrosión. Cuando la generación de
sulfuros es anticipada, se pueden utilizar materiales resistentes, o con alcalinidades y grosores
de concreto que puedan aliviar los efectos corrosivos.
Cuadro 5-6: Control de la producción de sulfuros durante la etapa de diseño.
Técnicas para minimizar la producción de sulfuros y la corrosión
Técnicas para minimizar la corrosión cuando la generación de sulfuros es anticipada
Escoger tamaños de tuberías y pendientes que provean las velocidades adecuadas para mantener las condiciones aeróbicas y prevenir la acumulación de capas de lodos en la tubería
Utilizar tuberías con materiales resistentes a la corrosión como el PVC o la arcilla vitrificada
Limitar el uso de tuberías a presión o sifones que promueven las condiciones sépticas
Especificar el uso de agregados calcáreos (alta alcalinidad) en las tuberías de concreto, además de un mayor recubrimiento en el refuerzo de las tuberías de concreto reforzado
Imponer control local a las industrias para reducir las descargas de aguas residuales con altos contenidos de sulfuros, altos valores de DBO, altas temperaturas, bajos pH y alto contenido de grasas y aceites
Especificar PVC resistente a la corrosión, tuberías de concreto envueltas en PVC en su parte interna, utilizar material resistente a la corrosión en las juntas de las tuberías
Evitar tiempos de retención excesivos en los pozos o los tanques
Diseñar las juntas de las uniones de las estructuras, de los pozos, etc, para minimizar los efectos de la turbulencia que desprenden H2S hacia la atmósfera
Considerar el uso de inyección de aire/oxígeno, o la adición de químicos en estaciones apropiadas
Fuente: el autor.
5.5.3.1 Velocidad de las aguas residuales
La velocidad de las aguas residuales es crítica cuando se diseña un sistema de
alcantarillado sanitario, para prevenir o minimizar la generación de sulfuros. Las velocidades
adecuadas previenen la acumulación de sólidos que pueden causar obstrucciones e
169
incrementar la generación de sulfuros. Asimismo, una adecuada velocidad provee al sistema
con una adecuada reaireación, la cual mantiene las condiciones aeróbicas y previene la
producción de sulfuros. A pesar de que históricamente los ingenieros han utilizados valores de
velocidad de diseño establecidos en normas, generalmente en las tuberías de mayores
diámetros se requiere utilizar velocidades más altas. La velocidad en los alcantarillados
sanitarios es controlada por los caudales del flujo, las pendientes, y los diámetros de tubería
utilizados.
5.5.3.2 Diseño de juntas y caídas
La turbulencia que se genera en las juntas y en las estructuras de caídas, puede causar
tantas ventajas como desventajas, dependiendo de las características de las aguas residuales
presentes. Si no hay sulfuros presentes, la turbulencia incrementa las tasas de reaireación, de
manera tal que incrementa el oxígeno disuelto y mantiene las condiciones aeróbicas. Por otra
parte, si hay una presencia de sulfuros disueltos, la turbulencia incrementa las tasas de
liberación de sulfuro de hidrógeno hacia la atmósfera e incrementa las tasas de corrosión. Es
por esto que si hay un potencial importante de generación de H2S, entonces deben de ser
evitados los puntos de turbulencia de las aguas residuales en los diseños.
5.5.3.3 Tuberías a presión, sifones y alcantarillados sobrecargados
Todos estos casos tienen una característica en común, la cual es que las aguas
residuales fluyen a tubería llena, sin ninguna oportunidad de que haya una reaireación. El
resultado, condiciones de septicidad, generación de H2S y generalmente corrosión severa en
los desagües. Es decir, se debe de evitar utilizar este tipo de situaciones siempre que sea
posible.
Si su uso no se puede evitar, entonces se deben de considerar las soluciones del caso,
como adición de químicos o inyección de aire/oxígeno, así como uso de materiales resistentes
a la corrosión especialmente en las zonas de desagües.
5.5.3.4 Chimeneas de ventilación
Los alcantarillados son proveídos de ventilación a través de los pozos, así como de los
escapes de ventilación de los inmuebles. En algunas ocasiones se utilizan chimeneas de
170
ventilación a lo largo del recorrido de los colectores. La ventilación se da en la atmósfera de la
tubería debido a cambios en la presión barométrica, viento, diferencias en la densidad del aire y
condiciones de los flujos. Las chimeneas de ventilación son típicas en las plantas de
tratamiento, algunas veces se liberan hacia la atmósfera y en otras ocasiones se utilizan los
gases en procesos biológicos o para la generación de electricidad.
5.5.3.5 Control local en las descargas industriales
El control de las descargas industriales hacia los alcantarillados sanitarios es aplicable
tanto a los sistemas existentes como a los futuros. Los beneficios de este tipo de control se
muestran en el cuadro 5-7.
Cuadro 5-7: Beneficios de controlar las descargas industriales hacia el alcantarillado.
Tipo de control en la descarga Beneficio Descargas con bajo contenido de sulfatos Baja los niveles de sulfuros y los potenciales
de corrosión por H2S Contenido orgánico (DBO) La tasa de generación de sulfuros es
proporcional a la DBO; la reducción de la carga orgánica reduce la demanda de oxígeno y la disminución del oxígeno disuelto
Altas temperaturas Bajas temperaturas reducen las tasas de generación de sulfuros; incrementa la solubilidad del H2S; reducción de la liberación del H2S; incrementa la solubilidad del oxígeno
Grasas y aceites Bajas cantidades de grasas y aceites reducen el potencial de obstrucciones, reducción de las velocidades, acumulación de sólidos, y generación de sulfuros
Bajos valores de pH Si se mantiene el pH en neutro o por encima de neutro, se reducen las tasas de liberación de H2S hacia la atmósfera de la tubería
Fuente: el autor.
171
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