XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L AMH DE H I D R Á U LI C A PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 AMH 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. AMH XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L DE H I D R Á U LI C A PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 AMH 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 AMH XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L DE H I D R Á U LI C A PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 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 AMH 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 1. ASCE-WPCF (1982). Gravity sanitary sewer design and construction, American Society of Civil Engineers, Manuals and reports on engineering practice, 60, Water Pollution Control Federation, Manual of practice, FD-5, USA. 2. BOON, A.G. (1995). “Septicity in sewers: causes, consequences and containment”, Wat. Sci. Tech., 31(7), p. 237-253. 3. DELGADO, S., ÁLVAREZ, M., RODRÍGUEZ-GÓMEZ, L.E. and AGUILAR, E. (1999). H2S generation in a reclaimed urban wastewater pipe. Case study: Tenerife (Spain), Wat. Res. IAWPRC, 33(2), p. 539-547. 4. HOLDER, G.A. and HAUSER, J. (1987)., Influence of flow velocity on sulfide production within filled sewers”, J. Environ. Eng. ASCE, 113(2), p. 300-310. AMH XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L DE H I D R Á U LI C A PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 5. RENDON, L. E., LARA, M. E., RENDON, S. K., RENDON, M. and LI, X., (2010). Concrete Biodeterioration in the U.S. — Mexico Border Region; http://dx.doi.org/10.1557/PROC-1278-S07-2 6. NIELSEN, P.H. and HVITVED-JACOBSEN, T. (1988). “Effect of sulfate and organic matter on the hydrogen sulfide formation in biofilms of filled sanitary sewers”, Res. J. WPCF, 60(5), p. 627-634. 7. NMX-C-414-ONNCCE-1999. (1999). 8. NMX-C-414-ONNCCE-2004. (2004). 9. RENDON, L. E., LARA, M. E. and RENDON, M., (2012) The Importance of Portland cement Composition to Mitigate Sewage Collection Systems Damage; http://dx.doi.org/10.1557/opl.2012.1547 10. SMITH, D.W. (1992) “Ecological Actions of SulfateReducing Bacteria”. In Sulfate-Reducing Bacteria: Contemporary Perspectives. J. M. Odom and R. Singleton (Eds.), Springer-Verlag, Germany, 161-188. 11. USEPA (1974). “Process design manual for sulfide control in sanitary sewerage systems”, U.S. Environmental Protection Agency Technology Transfer, Washington, D.C. 12. USEPA (1985). “Odor and corrosion control in sanitary sewerage systems and treatment plants”, U.S. Environmental Protection Agency Design Manual, EPA/625/1-85/018, Washington, D.C. 13. WIDDEL, F., and BAK, F. (1991). “Gram-negative mesophilic sulfate-reducing bacteria”. See: Balows, A., Trüper, H.G., Dworkin, M., Harder, W., and Schleifer, K.-H. (ed.), The Prokaryotes, vol. IV, 183, p. 3352-3378, 2ª ed. Springer-Verlag, New York. 14. DUQUE-ESCOBAR, G., Manual de geología para ingenieros, Cap. 08, Intemperismo o Meteorización, Universidad Nacional de Colombia, (2003). http://www.bdigital.unal.edu.co/1572/11/geo08.pdf AMH
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