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XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L
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H I D R Á U LI C A
PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014
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EFECTO DEL INTEMPERISMO EN LA INFRAESTRUCTURA HIDRÁULICA
Rendón Díaz Mirón Luis Emilio1 y Lara Magaña María2
1
Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. Paseo Cuauhnáhuac No. 8532, Col. Progreso, Jiutepec, Morelos,
México. C.P. 62550
2
Marudecori Consultores. La Cañada No. 83, Col. Lomas de Atzingo, Cuernavaca, Morelos, México. C.P. 62180
[email protected], [email protected]
Introducción
Objetivo
Parte del proceso de intemperismo es llevado a cabo por las
bacterias cianofitas o cianobacterias, son autótrofos, que
poseen características de ambos algas y bacterias. Producen
oxígeno como producto de desecho de fotosíntesis, como las
algas, aunque carecen de cloroplastos. Son organismos de una
sola célula, como las bacterias, pero la mayoría no viajan por
medio de flagelos como las bacterias lo hacen. Su color azulverde se debe a la presencia de clorofila y ficocianina y son
por lo tanto a veces conocidos como algas azul-verdes. Parte
es llevado a cabo por bacterias nitrificantes, que viven en una
especie de biopelícula de un gel higroscópico debajo de la
superficie del sustrato y allí resisten condiciones ambientales
extremas. Las bacterias nitrificantes se dividen en dos
entidades: amoniaco-oxidante y nitrito-oxidantes. Las
bacterias oxidantes de amoníaco convierten el amoníaco en
ácido nítrico, que "disuelve el material aglutinante calcáreo".
Parte es llevado a cabo por Hongos heterótrofos que carecen
de clorofila, por lo tanto, no pueden fabricar sus propios
alimentos y dependen de la materia orgánica disponible. Se
adhieren a la superficie del sustrato por medio de unas hifas,
por lo general se ocultan debajo de la superficie, y aparecen
como manchas oscuras peludas, gris, verde, negro o marrón.
Se incluyen en esta categoría el moho y la levadura. Los
hongos son inmóviles y su propagación depende de la
liberación y el transporte de esporas. El Liquen es una
simbiosis de algas - verde o azul-verde - y hongos, el
componente de hongos comprende la mayor parte del
organismo. El componente de algas sintetiza nutrientes,
algunos de los cuales son absorbidos por el hongo, mientras
que el componente fúngico absorbe el agua por todo el
organismo. Los líquenes son capaces de sobrevivir en una
amplia gama de condiciones ambientales debido a su diversa
apariencia; en casos severos pueden simplemente mantenerse
latentes en lugar de desaparecer. Estos organismos pueden
esconderse hasta varios mm de profundidad de la superficie de
la piedra. Se adhieren a la superficie del sustrato por hifas
(elementos filamentosos) o raíces y muestran preferencia por
piedra calcárea o silícea. Son sin lugar a duda estos simbiontes
organismos pluricelulares, excepcionalmente resistentes a las
condiciones ambientales adversas y capaces, por tanto, de
colonizar muy diversos ecosistemas. Están protegidos a la
desecación y la radiación solar que aporta el hongo y la
capacidad de fotosíntesis del alga confiere a las simbiontes
características únicas dentro de los seres vivos. La síntesis de
compuestos únicamente presentes en estos organismos, las
llamadas sustancias liquénicas permiten un mejor
aprovechamiento de agua, luz y la eliminación de sustancias
perjudiciales.
El intemperismo tiene varias facetas una de ellas es la
corrosión que se presenta en los tubos de drenaje, cárcamos,
pozos de visita, canales, plantas de tratamiento e
infraestructura en general hecha de concreto; que se define
como el estropicio causado al concreto por la actividad
microbiana y los productos del metabolismo microbiológico
principalmente ácido sulfúrico. Es uno de los problemas más
serios con los que nos enfrentamos hoy en día. No solo es
particularmente costoso el reemplazo de piezas cuando estas
están en constante uso, sino que además su reparación provoca
un sin-número de molestias al bienestar de la sociedad así
como interrupciones en los servicios más necesarios. Por lo
tanto, es de la mayor trascendencia encontrar la manera de
controlar este tipo de intemperismo y fundamentalmente
importante entender su causa y mecanismo.
Experimental
En los artefactos de concreto e infraestructura hidráulica en
general, el intemperismo es el resultado final de una secuencia
de procesos que involucra las transformaciones bioquímicas
de compuestos orgánicos e inorgánicos de azufre por la acción
de bacterias aeróbicas y anaeróbicas. Cuando el contenido de
oxigeno disuelto en el agua residual es menor a 0.1 (en mg. L
1) en esta bio-película se puede presentar un ambiente
anaerobio, que provee las condiciones necesarias para el
crecimiento de las bacterias reductoras de sulfatos. Cuando
estos sulfatos se encuentran disponibles, estas bacterias
reductoras de sulfatos utilizan y transforman ácidos orgánicos
y alcoholes, que antes fueron formados como productos
finales de varios tipos de procesos de fermentación
anaeróbica, con la concomitante reducción de sulfatos a
sulfuros, (Smith, 1992). El sulfuro de hidrógeno producido se
difunde fuera de la bio-película y se disuelve en el cuerpo del
agua que fluye en el albañal. A las condiciones de pH de la
mayoría de las aguas residuales, este sulfuro de hidrógeno se
disocia en hidrosulfuro (HS ) y sulfuro de hidrógeno (H2S)
disuelto. El sulfuro de hidrógeno disuelto rápidamente se
desprende a la atmósfera interior del tubo, y termina por se
absorbido en la bio-película de la parte seca del tubo, en la
corona interior del tubo.
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drenaje de Ciudad Reynosa transporta aguas residuales
permanentemente sépticas.
Ilustración 1. Curva de caudal (litros/hora) del drenaje.
Ahí el gas puede ser metabolizado hasta ácido sulfúrico por
las bacterias oxidantes de azufre (Thiobacilos). El ácido
sulfúrico producido, disuelve el hidróxido de calcio, el
carbonato de calcio y aún parte del silicato de calcio en el
concreto, lo que conlleva a la corrosión del tubo.
El presente trabajo se abocó al estudio de las causas,
tratamiento y prevención del intemperismo, como parte de las
actividades concernientes a la conservación de la
infraestructura hidráulica en el país, particularmente de los
sistemas de drenaje de las ciudades fronterizas. En la ciudad
fronteriza de Reynosa, Tamaulipas, se selecciono un drenaje
cercano a la zona industrial cuya curva de caudal se muestra
en la ilustración 1. Se siguieron tres criterios para diagnosticar
el intemperismo en este drenaje, Rendon, et. al. (2010):
a) La medición del pH.
b) La detección de bacterias neutrófilas del azufre en los
tubos.
c) La observación de depósitos de azufre elemental en los
pozos de visita de los drenajes.
Analizado el conjunto de parámetros ambientales que tienen
mayor significación en los procesos de formación de sulfuro
de hidrógeno en colectores, para el caso particular del drenaje
de Ciudad Reynosa, Tamaulipas cabe destacar los siguientes:
• condiciones anaerobias y potencial redox,
• presencia de iones sulfato,
• cantidad y calidad de la materia orgánica,
• temperatura,
• pH,
• velocidad de flujo,
• radio hidráulico, y
• tiempo de permanencia hidráulica.
Condiciones anaerobias y potencial redox
El potencial de reducción-oxidación (potencial redox) es un
parámetro que si bien no determina el crecimiento de los
microorganismos sí permite señalar el tipo metabólico
dominante. De acuerdo a Boon (1995) las condiciones
ambientales óptimas para la reducción biológica (anaerobia)
de los sulfatos tienen lugar en un rango de potenciales redox
entre –200 y –300 mV (ilustración 2). En el caso del drenaje
de Ciudad Reynosa se midieron potenciales redox por debajo
del umbral de –150 mV, siendo el rango característico de –220
a –310 mV. De esta manera, se puede considerar que el
Ilustración 2. Variación en las condiciones de agua residual.
Presencia de iones sulfato
La importancia de los iones sulfato con relación al proceso de
“corrosión por acido sulfúrico biogenerado” (CASB), por
encima de otros compuestos oxidados de azufre, radica en su
relativa abundancia y en su aportación continua a los flujos de
aguas residuales. Se debe considerar que el principal origen de
los iones sulfato presentes en las aguas residuales puede muy
bien deberse al sulfato de calcio presente en los mismos tubos
de concreto del drenaje.
Cantidad y calidad de la materia orgánica
Las bacterias sulfato-reductoras son organismos heterótrofos.
Su fuente de aprovisionamiento de carbono es la materia
orgánica biodegradable presente en el agua residual. Ésta
constituye el substrato dador de electrones en la reducción de
los sulfatos y, por lo general, concentraciones elevadas de
materia orgánica se correlaciona con potenciales de formación
de sulfuro de hidrógeno elevados (Nielsen y HvitvedJacobsen, 1988).
Temperatura
El metabolismo de las bacterias sulfato-reductoras presenta
una gran dependencia con relación a la temperatura. Un
importante grupo de éstas corresponde por clasificación termal
a bacterias mesófilas (Widdel y Bak, 1991), de forma que las
temperaturas habituales en las aguas residuales en nuestro
ámbito (15 - 25 ºC) ofrecen condiciones óptimas para su
desarrollo. Sin embargo, la variación de la velocidad de
formación de sulfuro por efecto de la temperatura es compleja
de evaluar puesto que este parámetro afecta con distinta
intensidad a los procesos estrictamente biológicos y a los
procesos físicos (i.e. los fenómenos de difusión). Desde la
USEPA (1974, 1985) se sostiene que, en conjunto, las
respuestas a la variación de la temperatura en un grado
centígrado se manifiestan con una variación de la velocidad de
formación de sulfuro de 7 puntos porcentuales y en el sentido
(incremento - decremento) de la variación térmica.
pH
El pH es un parámetro altamente estable en las aguas
residuales domésticas dado que éstas presentan, por lo común,
niveles de alcalinidad considerables. El pH está regido
principalmente por el equilibrio de las especies carbónicas
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entre las fases acuática y atmosférica, sin olvidar que la
actividad metabólica de los microorganismos en ambientes
anaerobios tiende a acidificar las aguas como resultado de la
formación de dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno y
ácidos volátiles (Boon, 1995). En aquellos sistemas donde se
alternan en el tiempo ciclos aerobios con ciclos anaerobios los
fenómenos de nitrificación-desnitrificación también afectan al
equilibrio de pH (Delgado et al., 1999).
Velocidad media de flujo
La velocidad media del flujo de agua residual parece no tener
un efecto directo en la formación de sulfuro de hidrógeno, de
forma que su influencia no aparece explícita en las últimas
líneas de estudio dominadas por el modelo de Nielsen y
Hvitved-Jacobsen (1988). Sin embargo, en la revisión
bibliográfica se han encontrado algunas opiniones (Holder y
Hauser, 1987) contrarias a este argumento pero que no acaban
de exponer razonamientos concluyentes.
Radio hidráulico
La actividad bacteriana en los sistemas de transporte de aguas
residuales se localiza básicamente en las bio-películas que se
fijan a las paredes interiores de los tubos, bajo la lámina de
agua, mientras que el medio receptor de los subproductos de
esta actividad (en el caso de estudio, sulfuro de hidrógeno) es
el volumen de agua residual circulante (USEPA, 1974, 1985).
Tiempo de permanencia
El tiempo de permanencia hidráulica en los tubos se considera
un parámetro fundamental para la generación de las
condiciones ambientales necesarias para el desarrollo de las
vías del metabolismo anaerobio (USEPA, 1974, 1985; ASCEWPCF, 1982).
Discusión
En la actualidad, no se conoce material alguno que
permanezca completamente inerte ante los cambios químicos
o bioquímicos, y sea inmune al deterioro físico. El concreto
(mezcla de un cemento y agregados pétreos) no es la
excepción; bajo lo que pueden considerarse condiciones
normales de trabajo, el concreto tiene una larga vida. Concreto
hecho por los romanos a partir de cementantes naturales está
trabajando y en excelentes condiciones después de años de
servicio. Los principales factores que influyen en la
durabilidad del concreto son su resistencia a la compresión,
densidad, absorción, contenido y tipo de cemento
(composición del cemento), las características de los
agregados, la alcalinidad total, el espesor de la cubierta de
concreto sobre el refuerzo y los aditivos. Usualmente para
lograr el mejor comportamiento del cemento Pórtland, cuando
se anticipa la exposición de los tubos de concreto al deterioro
característico de las aguas residuales, se recomienda:
1. Utilizar cemento tipo RS, esto es, resistente al ataque de los
sulfatos, este concepto de “resistente al ataque de los
sulfatos” es difícil de entender la definición presentada en:
(véase norma NMX-C-414-ONNCCE-1999), especifica: “Se
consideran cementos resistentes al ataque de los sulfatos,
aquellos que por su comportamiento cumplan con el requisito
de expansión limitada de acuerdo con el método de prueba
establecido”. En esta recomendación el término “sulfatos” no
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incluye el sulfuro de hidrógeno ni el ácido sulfúrico y las
bacterias jamás son mencionadas.
2. Utilizar cemento con adiciones minerales que tengan
actividad puzolánica. Esto significa que los productos de
hidratación del cemento disminuyen. Por ejemplo, las
adiciones minerales fijan el óxido de calcio (CaO) e impiden
la formación del hidróxido de calcio [Ca(OH)2] para obtener
como producto un silicato de calcio hidratado 3CaO.2SiO2.
4H2O (HCS):
2Ca3SiO5 + 7H2O → 3CaO.2SiO2 .4H2O + 3Ca(OH)2 + 173.6kJ
3Ca(OH)2 (portlandita ) + puzolana → cemento puzolánico (HCS)
Esto aumenta las características de resistencia, e
impermeabilidad del concreto, así como su durabilidad. Sin
embargo en el caso especifico del intemperismo, esto no ha
sido suficiente.
Recomendaciones
1. Recomendamos que la norma mexicana NMX-ONNCCE
(2004) sea revisada, tomando en consideración la variable
intemperismo y su mecanismo, ya que las indicaciones que
esta norma emite para utilizar indistintamente el cemento
ordinario, el cemento puzolánico y el cemento compuesto
—que la norma considera similares, y con las mismas
propiedades relativas a la resistencia al deterioro característico
de las aguas residuales— no toma en cuenta la ineficacia del
cemento compuesto, que contiene grandes cantidades de
caliza, ante el ataque ácido de origen microbiológico, Rendon,
et. al. (2012) y el intemperismo que particularmente deteriora
y trasforma los carbonatos naturales (Duque, 2003).
2. Recomendamos hacer un amplio y serio estudio y/o trabajos
de investigación, cuyo objetivo sea corroborar el
comportamiento del cemento compuesto, cemento que no
debería estar recomendado para su uso en la construcción de la
infraestructura hidráulica, y determinar su comportamiento
ante el intemperismo, la dimensión de esta problemática en el
país y cómo resolverla.
3. Recomendamos, entonces, que la composición del concreto
utilizado para obras hidráulicas este exento de caliza, la norma
vigente debe ser revisada nuevamente o, al menos, que se
emita una advertencia al respecto.
Referencias
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construction, American Society of Civil Engineers, Manuals
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