ANALISIS DEL CRECIMIENTO DE ALGAS EN UN FGAC APLICANDO SIMULACION COMPUTACIONAL

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1 213 ANALISIS DEL CRECIMIENTO DE ALGAS EN UN FGAC APLICANDO SIMULACION COMPUTACIONAL EDISON ANDRES DOMINGUEZ GARZON UNIVERSIDAD DEL VALLE

2 ANALISIS DEL CRECIMIENTO DE LAS ALGAS EN UN FGAC APLICANDO SIMULACION COMPUTACIONAL EDISON ANDRES DOMINGUEZ GARZON Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar por el título: Ingeniero Sanitario y Ambiental Director: Ing. Luis Dario Sánchez T. MSc. UNIVERSIDAD DEL VALLE FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA SANITARIA Y AMBIENTAL SANTIAGO DE CALI Mayo de 213

3 NOTA DE ACEPTACION La tesis titulada ANALISIS DEL CRECIMIENTO DE LAS ALGAS EN UN FGAC APLICANDO SIMULACION COMPUTACIONAL, presentada por Edison Andres Dominguez Garzón, en cumplimiento parcial de los requisitos para optar por el título de Ingeniero Sanitario y Ambiental, fue aprobada por el jurado el día Jurado Jurado Director

4 AGRADECIMIENTOS El autor expresa sus agradecimientos al Ingeniero Luis Dario Sánchez T. por su confianza, orientación y colaboración en el desarrollo del trabajo de grado. Al ingeniero Christian Arial Viáfara V. por su colaboración en montaje y desarrollo del proyecto. Al instituto Cinara, especialmente a Noel Muñoz, y a los operarios Segundo y Mariano por la colaboración y amabilidad prestada durante el desarrollo del proyecto Al ingeniero Alexander Aponte por sus recomendaciones en la fase experimental y consejos para enriquecer el contenido de este documento. Al Dr. Luis Fernando Marmolejo R. por su orientación académica, colaboración y valiosos consejos.

5 RESUMEN La filtración en gravas de flujo ascendente (FGAC), hace parte de la tecnología de la filtración en múltiples etapas. La complejidad del proceso de filtración radica en que muchos de los fenómenos que se dan ahí, tienen relación con procesos físicos, fisicoquímicos y actividad biológica en las capas del material filtrante. El uso de mantas sobre la superficie del lecho filtrante permite el desarrollo de algas y otros organismos, haciendo que al momento de realizar la limpieza de la unidad este material sea fácilmente removible. Teniendo en cuenta la importancia de la actividad biológica dentro del proceso de filtración en grava y que ha sido poco estudiada la manera como ocurre en el proceso de filtración de los FGAC, este trabajo analiza el comportamiento de las algas y cómo influyen en el proceso de tratamiento y eficiencia de los FGAC aplicando simulación computacional, por medio del software AQUASIM. Adicionalmente se determinaron las eficiencias de remoción en un FGAC con manta sintética y las variables asociadas a la operación. Para el estudio se acondicionó una unidad piloto de filtración en gravas de flujo ascendente con un espesor de,9 m de grava y una capa de tres mantas ubicadas en la superficie con un espesor de,56 cm. El sistema se alimentó con agua del río Cauca. Los resultados del trabajo indicaron que el modelo AQUASIM facilita la simulación de la biopelícula como reactor. Se estimó que la tasa de crecimiento de la biopelícula fué de,182 mm/día en la primera carrera de filtración, obteniéndose un grosor de 1,2 mm en 66 días y de,31 mm/día en la segunda carrera de filtración alcanzando 1,35 mm en 43 días. La clorofila a fue un buen parámetro para determinar el crecimiento biológico. En el FGAC - manta la biopelícula logró su estado de equilibrio para una concentración de clorofila a de 3,8 g/m 3 en la primera carrera de filtración y de 4,2 g/m 3 en la segunda. Las eficiencias medias de remoción para la segunda carrera de filtración con un lecho maduro fueron las siguientes: sólidos totales 43%, sólidos volátiles y turbiedad 55%, sólidos suspendidos totales 58%, coliformes totales 92% y para E.coli de 93%. El sistema piloto FGAC manta operando con una velocidad de filtración de,5 m/h generó una pérdida entre 4,5-5, cm para una duración de carrera entre 43 y 66 días. Al instalar mantas sintéticas en la superficie del lecho de grava es necesario revisar el comportamiento hidráulico de la unidad para evitar la entrada de aire y así evitar líneas de flujo preferenciales y el desprendimiento de la capa biológica. El trabajo muestra que puede ser factible el reemplazo de una capa de grava de,25-,3 m de espesor en filtros gruesos de flujo ascendente, por una capa de manta de,56 cm para reducir el espesor del lecho filtrante en el FGAC.

6 TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCION Antecedentes Objetivo general Objetivos Específicos REVISION DE LITERATURA Filtración gruesa ascendente y la filtración en múltiples etapas (FiME) Filtración gruesa ascendente en capas (FGAC) Generalidades Criterios de diseño Algas Clorofila Algas en unidades de filtración Nutrientes Mantas sintéticas Mantas en unidades de filtración gruesa Simulación del crecimiento de algas METODOLOGIA Descripción del experimento Procedimientos Simulación Muestreo Procedimiento de limpieza.. 25

7 3.6 Medición de caudal Preparación del medio filtrante Preparación de mantas Justificación y descripción de parámetros experimentales Turbiedad Solidos Totales, Solidos Suspendidos Totales y Solidos Volátiles Coliformes Totales y E.coli Nitratos y Fosfatos Clorofila a, b y c RESULTADOS Comportamiento de las algas a diferentes profundidades del material filtrante Evaluación de calidad del afluente y eficiencias de remoción del sistema Variables de operación del sistema Caudal y velocidad de filtración Comportamiento de la pérdida de carga ANALISIS DE RESULTADOS Comportamiento de las algas a diferentes profundidades del material filtrante Evaluación de calidad del afluente y eficiencias de remoción del sistema Variables de operación del sistema Caudal y velocidad de filtración Comportamiento de la pérdida de carga CONCLUSIONES RECOMENDACIONES REFERENCIAS 54

8 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Configuración del tratamiento de agua cruda por tecnología FiME (Galvis, 2).. 5 Figura 2 Esquema isométrico de un filtro ascendente en capas (Galvis, 1999). 6 Figura 3 Espectros de absorción de clorofila a, b y c. (Rodríguez, 213). 1 Figura 4 Interfaz de AQUASIM para Windows.. 15 Figura 5 Interfaz de AQUASIM compartimiento tipo Reactor Biofilm Figura 6 Estación de investigación y transferencia de tecnología Cinara. 17 Figura 7 FGAC piloto Figura 8 Unidad piloto de experimentación y puntos de muestreo.. 19 Figura 9 Acondicionamiento de unidades piloto. (a) Filtro dinámico. (b) Canaletas de aforo volumétrico. (c) Limpieza del FGAC. (d) Sistema de drenaje del FGAC. (e) Llenado del FGAC con grava limpia. (f) Instalación de piezómetros. (g) limpieza de la grava con agua potable antes de dar inicio a la carrera de filtración. (h) acondicionamiento de las mantas sintéticas.. 21 Figura 1 Proceso de adecuación e instalación de mantas. (a) Adecuación a la geometría de la unidad. (b) Instalación del conjunto de muestreadores 27 Figura 11 Comportamiento de la clorofila, capas 1, 2 y 3 durante la primera carrera de filtración.29 Figura 12 Comportamiento de la clorofila en la capa 4 y salida durante la primera carrera de filtración.. 3 Figura 13 Comportamiento de la clorofila en superficie. (a) Manta sintética (b) 1 cm capa 4 (c) 15 cm capa 4. 31

9 Figura 14 Comportamiento de la clorofila en superficie (a) Clorofila a (b) Clorofila b (c) Clorofila c 32 Figura 15 Alga predominante en la carrera de filtración Figura 16 Alga predominante en la carrera de filtración Figura 17 Spirogyra. (a) Muestra de la masa de algas. (b) vista al microscopio 1 (c) vista al microscopio Figura 18 Desarrollo de la biopelícula simulado para la carrera de filtración 1 y Figura 19 Eficiencias de remoción. (a) Turbiedad. (b) SST. (c) Coliformes totales. (d) E.coli.. 38 Figura 2 Control de caudal de operación y velocidad de filtración 4 Figura 21 Pérdida de carga neta del filtro y perdida de la manta para ambas carreras de filtración.41 Figura 22 Comparación del crecimiento simulado de la biopelícula para ambas carreras.. 42 Figura 23 Comportamiento (concentración clorofila - crecimiento del biopelícula simulado) Figura 24 Correlación concentración clorofila a - crecimiento de biopelícula simulado (a) carrera de filtración 1. (b) carrera de filtración Figura 25 Efecto del tratamiento para la primera carrera de filtración en la reducción de: (a) Solidos totales. (b) Solidos volátiles. (c) Solidos suspendidos totales. (d) Turbiedad Figura 26 Efecto del tratamiento para la segunda carrera de filtración en la reducción de: (a) Solidos totales. (b) Solidos volátiles. (c) Solidos suspendidos totales. (d) Turbiedad Figura 27 Eficiencias de remoción, Coliformes totales y E.coli. (a) Carrera de filtración 1. (b) Carrera de filtración 2. 47

10 Figura 28 Percentiles para caudal y velocidad de filtración durante las carreras de filtración 1 y 2.48 Figura 29 Comportamiento de la perdida de carga en la manta frente al crecimiento de biopelícula simulado en la superficie - carreras de filtración 1 y 2 49 Figura 3 Comportamiento de la perdida de carga en la manta frente a la concentración de clorofila a en la superficie - carreras de filtración 1 y 2 49 Figura 31 Correlación concentración de clorofila a pérdida de carga en la manta... 5

11 LISTA DE TABLAS Tabla 1 Criterios de Diseño para FGAC (Galvis et al, 1999). 7 Tabla 2 Eficiencias típicas de tratamiento de filtros gruesos ascendentes. (Cinara-IRC 1999 y Galvis y Latorre 1991) 8 Tabla 3 Presencia de clorofila a, b y c de acuerdo a diferentes grupos de algas (Hoek et al, 22) 1 Tabla 4 Grupos y especies de algas que comúnmente causan obstrucción en los filtros lentos (Dibernado, 1995).. 12 Tabla 5 Parámetros y Variables de la Investigación 18 Tabla 6 Puntos de muestreo y frecuencias para los parámetros de evaluación en el filtro piloto Tabla 7 Características del filtro piloto 2 Tabla 8 Variables utilizadas en AQUASIM para la simulación del crecimiento del biofilm.. 23 Tabla 9 Procesos utilizados en AQUASIM para la simulación del crecimiento del biofilm Tabla 1 Compartimientos utilizados en AQUASIM.. 24 Tabla 11 Criterios utilizados en el experimento para la selección de mantas (Di Bernardo, 1999 y Paterniani, 1991). 26 Tabla 12 Resultados del análisis de sensibilidad AQUASIM. 25 Tabla 13 Calidad del agua afluente al FGAC en la carrera de filtración 1 y

12 LISTA DE ANEXOS Anexo 1 Pruebas granulométricas Anexo 2 Valores de las variables CS1_1, CS1_2, CS2_1, CS2_2, RO1S1, RO1S2 Anexo 3 Datos experimentales, caudal y velocidad de filtración Anexo 4 Tendencias de cada tipo de clorofila Anexo 5 Datos experimentales, SST, Turbiedad, Nitratos, Fosfatos Anexo 6 Gráficas comportamiento de remoción

13 1 1. INTRODUCCION 1.1 Antecedentes La filtración en gravas de flujo ascendente, FGAC, es el pre -tratamiento clave que hace parte de la tecnología de la filtración en múltiples etapas (Sánchez et al., 27). Estos sistemas son una tecnología de tratamiento natural que opera bajo el concepto de barreras múltiples y el de tratamiento integral. La complejidad del proceso de filtración en múltiples etapas (FiME), radica en que muchos de los fenómenos que se dan ahí, tienen relación con procesos físicos, fisicoquímicos y la actividad biológica en las capas del material filtrante (Sánchez et al., 27). De acuerdo con Di Bernardo y Sabogal (29) los factores que influyen en el desempeño de la FiME pueden ser agrupados en: características del agua cruda, el tipo de pre tratamiento que antecede la filtración y el uso de mantas sintéticas o tejidas. La eficiencia de la filtración en los sistemas FiME, no solo depende del tamaño del medio filtrante en particular en la unidades de pre filtración en gravas de flujo ascendente, sino también de las partículas a filtrar, la tasa de filtración y la actividad biológica (Galvis, 2). Cuando las unidades que conforman la FiME específicamente FGAC y FLA se encuentran limpias, la eficiencia de remoción es relativamente baja siendo necesario un tiempo de filtración para la formación de una capa biológica (Di Bernardo y Sabogal, 29). La actividad biológica ha sido estudiada con mayor profundidad en las unidades filtración lenta en arena FLA; al respecto Bellamy et al., (1985), indican que la adición de nutrientes en aguas con bajos contenidos de nitrógeno y fósforo, permitió aumentar la actividad biológica en lechos experimentales de arena de unidades FLA y mejorar las eficiencias de remoción de turbiedad y de indicadores de contaminación microbiológica. Sin embargo en unidades de filtración en grava de flujo ascendente FGAC son escasos los estudios al respecto. De acuerdo con Di Bernardo y Sabogal (29) la actividad biológica en sistemas de filtración lenta es considerada como la más importante en el tratamiento del agua, de ahí que resulta interesante conocer qué ocurre con la actividad biológica bajo ciertas condiciones de funcionamiento en las unidades FGAC y qué tanto los factores que intervienen en la eficiencia del proceso de filtración

14 2 afectan la formación, desarrollo y comportamiento la biopelícula, en el lecho filtrante y sobre la superficie del mismo. En particular las algas pueden indicar cómo gradualmente se desarrolla tal actividad biológica en el filtro, porque ellas hacen parte de la biopelícula que se forma durante el paso de agua a través del medio filtrante, la biopelícula está constituida fundamentalmente por partículas inertes, materia orgánica, y una variedad de microorganismos (bacterias, algas, protozoarios, etc) (Di Bernardo y Sabogal, 29), este crecimiento biológico se da especialmente sobre la superficie del lecho; los microorganismos que se sostienen en la biopelícula son alimentados por las impurezas adheridas, las cuales sirven de fuente de energía al tener gran contenido de materia orgánica y nutrientes inorgánicos, principalmente nitrógeno y fósforo (Sánchez, 1996). Las algas normalmente están presentes en el agua cruda y se desarrollan si existen condiciones favorables de nutrientes, ph, oxígeno disuelto y radicación solar como principales factores limitantes de su desarrollo (Di Bernardo, 1995). El florecimiento de las algas se relaciona con el aumento de la concentración de los nutrientes y permiten el desarrollo de fitoplancton; zooplancton, bacterias, protozoos y hongos (Di Bernardo, 1995). Las algas junto con bacterias protozoarios y otras formas de vida pueden colonizar el lecho filtrante y pueden tener un papel importante en la eficiencia de los FGAC. Durante el día debido a la presencia de luz solar las algas utilizan dióxido de carbono, nitratos y fósforo y otros nutrientes presentes en el agua produciendo una masa celular y oxígeno lo cual puede oxidar compuestos orgánicos resultando en otros más fácilmente asimilables por bacterias y otros organismos (Di Bernardo y Sabogal, 29). Por lo cual es de gran importancia conocer el efecto de esta actividad biológica en las unidades FGAC. También se debe tener en cuenta que concentraciones excesivas de algas pueden tener una influencia negativa en el proceso de filtración causando obstrucción del medio filtrante y contribuyendo a la pérdida de carga y consecuente disminución de la carrera de filtración, este proceso de obstrucción por crecimiento de algas puede darse más fácilmente en unidades de flujo ascendente debido a que en la superficie resulta el sobrenadante clarificado permitiendo la penetración de la luz solar en la columna de agua por encima de la parte superior del medio granular (Di Bernardo y Sabogal, 29).

15 3 El uso de materiales en forma de capa sobre la superficie del lecho filtrante permite el desarrollo de algas y otros organismos sobre éste, haciendo que al momento de realizar la limpieza de la unidad este material (partículas inertes, materia orgánica y microorganismos) sea fácilmente removible, ya que solo debe quitarse el material (Sánchez, 1996). Teniendo en cuenta la importancia de la actividad biológica dentro del proceso de filtración en grava y que ha sido poco estudiada la manera como ocurre en el proceso de filtración de los FGAC, este trabajo analiza el comportamiento de las algas y cómo influyen en el proceso de tratamiento y eficiencia de los FGAC aplicando simulación computacional.

16 4 1.2 Objetivo general Contribuir al entendimiento del proceso de filtración en gravas de flujo ascendente, profundizando en el conocimiento de algunos aspectos de la formación, crecimiento de las algas por medio de herramientas computacionales y su relación con la remoción microbiológica teniendo en cuenta las variables operacionales del filtro Objetivos Específicos Analizar el comportamiento de las algas en el FGAC en el material filtrante. Identificar las eficiencias de remoción en un FGAC con manta sintética. Revisar las variables asociadas a la operación del FGAC con manta sintética.

17 5 2. REVISION DE LITERATURA 2.1 Filtración gruesa ascendente y la filtración en múltiples etapas (FiME) La FGAC hace parte de la tecnología de tratamiento de filtración en múltiples etapas (FiME), donde se combina con la filtración lenta en arena (FLA) y la filtración gruesa dinámica, FGDi, es decir FGDi + (FGAC) + (FLA), dando como resultado mejores niveles de tratamiento del agua cruda al poner más barreras de tratamiento y combinar el potencial de cada una de ellas. Figura 1 Configuración del tratamiento de agua cruda por tecnología FiME (Galvis, 2). 2.2 Filtración gruesa ascendente en capas (FGAC) Generalidades La unidad de FGAC está conformada por lechos de grava de diferente tamaño en el rango de gruesa en el fondo, a fina en la superficie (Figura 2). Este tipo de filtración tiene la ventaja de favorecer la acumulación de sólidos en el fondo de las unidades (IRC-Cinara, 1999), donde se localiza un distribuidor de caudal, el cual también sirve como sistema de drenaje en el momento del lavado del filtro, lo que facilita el mantenimiento del mismo. Esta limpieza se hace cuando la pérdida de carga está entre los 15 y 2 cm, realizando descargas sucesivas de fondo, sin embargo se ha demostrado

18 6 que descargas intermedias con 1 cm de pérdida de carga proporcionan un aumento en la duración de la carrera de filtración (Di Bernardo y Sabogal, 29). La altura total de un FGAC está en el rango de 1,1 a 1,5 m, un incremento en la longitud del lecho filtrante implica mayor tiempo de retención y mayor volumen para acumulación de lodo, microorganismos, materia orgánica, etc., esto implica una mayor eficiencia en el proceso de remoción (Galvis, 2). Adicionalmente, la dirección vertical del flujo reduce interferencias generadas por temperatura o diferencias de densidad del fluido, mejorando el comportamiento hidráulico de la unidad, evitando zonas muertas y produciendo tiempos de retención más homogéneos (IRC-Cinara, 1999). Un FGAC está compuesto principalmente por: Cámaras de filtración (compartimientos) Accesorios de regulación y control Estructura de entrada y salida Sistema de drenaje Lecho filtrante Rebose Figura 2 Esquema isométrico de un FGAC (Galvis, 2)

19 Criterios de diseño Lecho filtrante El lecho filtrante normalmente consiste de 4 a 5 capas de grava de diferentes tamaños, variando entre 25 y 1,6 mm en la dirección de flujo (ver Tabla 1). Las características de las capas de grava (tamaño del material y espesor del lecho) deben ser seleccionadas cuidadosamente con el fin de optimizar tanto el funcionamiento hidráulico como el mantenimiento de las unidades (Galvis y Latorre, 1999). A mayor contaminación del agua afluente, menor debe ser la tasa de filtración con la que se debe operar el filtro. Tabla 1 Criterios de Diseño para FGAC (Galvis y Latorre, 1999) Parámetro FGAC Tasa de filtración (m/h),3 1 Longitud (m) y tamaño de grava (mm),15,3 (25 35) Longitud (m) y tamaño de grava (mm),2,3 (25 19) Longitud (m) y tamaño de grava (mm),2,3 (19 13) Longitud (m) y tamaño de grava (mm),2,3 (13 6) Altura del agua sobrenadante (m),2 Velocidad inicial para limpieza (m/h) >1 Periodo de operación (h/d) 24 Sistema de drenaje El drenaje de los FGAC se puede llevar a cabo a través de tuberías perforadas o sistemas de falso fondo, que son instalados sobre el fondo de las estructuras de filtración. Por la condición de flujo ascendente de los filtros gruesos, el sistema de drenaje se proyecta para cumplir con dos propósitos básicos: distribuir uniformemente el flujo en el área filtrante y recolectar el agua de lavado. La cabeza total entre el nivel de agua superficial en el filtro grueso y el punto de descarga de la tubería de drenaje a la atmósfera, es el parámetro clave para determinar la carga de lavado, cuyo valor mínimo de diseño no debe ser inferior a 2 m 3 /m 2 /h (Sánchez et al., 27).

20 8 Velocidad de filtración Los FGAC usualmente son usados a velocidades de filtración entre,3 y 1 m/h siendo sensibles a fluctuaciones hidráulicas, especialmente al ser cargadas con altas concentraciones de sólidos. Un incremento en la velocidad de filtración podría re-suspender el material sedimentado, y generar el traspaso de sólidos a través del filtro. Por esta razón se recomienda la operación del filtro a tasa constante (Sánchez et al., 27). Eficiencia de remoción Los filtros de grava mejoran principalmente la calidad física del agua a medida que remueven los sólidos suspendidos y reducen la turbiedad. Sin embargo también se puede esperar un mejoramiento de la calidad microbiológica del agua, pues las bacterias y los virus también se pueden comportar como sólidos, con tamaños en el rango de 1 a,2 μm y de,4 a,2 μm respectivamente. Estos organismos se adhieren mediante fuerzas electrostáticas a la superficie de otros sólidos suspendidos de agua. Por tanto el mejoramiento de la calidad bacteriológica del agua en los filtros en grava puede llegar más o menos del 6-9% (IRC-Cinara, 1999; Galvis y Latorre, 1999). De acuerdo con IRC-Cinara (1999), Galvis y Latorre (1999) las remociones típicas encontradas en sistemas de filtración gruesa ascendente, tratando aguas superficiales de valle y de ladera, se relacionan en la Tabla 2. Para filtros con las siguientes características: velocidad de filtración,,3m/h y,75 m/h; lechos filtrantes entre 1, y 1,55m de longitud y agua previamente tratada con FGDI con velocidades de filtración iguales o inferiores a 3,m/h se tienen las siguientes eficiencias. Tabla 2 Eficiencias típicas de tratamiento de filtros gruesos ascendentes. (IRC-Cinara, 1999; Galvis y Latorre 1999) Parámetro Reducción Típica Solidos Suspendidos Hasta 95 % Turbiedad Entre 5 8 % Color real Entre 2 5 % Coliformes Fecales Entre Und.log

21 9 Operación y Mantenimiento Las actividades de operación y mantenimiento de un FGAC permiten tener control sobre el funcionamiento de la unidad frente al comportamiento de la calidad de agua afluente, las actividades de operación y mantenimiento básicamente consisten en: Medición de turbiedad Medición de color Medición de pérdida de carga Medición y control de caudal Retiro de material flotante 2.3 Algas Estas constituyen un grupo diverso de organismos eucarióticos que contienen clorofila y llevan a cabo la fotosíntesis oxigénica, aunque la mayoría de las algas son de tamaño microscópico, algunas son macroscópicas, e incluso pueden llegar a medir 3 m de longitud (Madigan et al, 23) Clorofila La clorofila es un complejo constituido de un ion Mg 2+ enlazado con un macrociclo que tiene el esqueleto de la porfirina. Las clorofilas catalizan la transformación de dióxido de carbono gaseoso y agua durante la fotosíntesis (Angenault, 1999). Además de ser un pigmento característico de las plantas imprescindible para realizar la fotosíntesis, son sustancias orgánicas (Quevedo, 1992), que proporciona color, con otros pigmentos, entre ellos antofila y el caroteno (Restrepo, 28). Existen varios tipos de clorofila las cuales se identifican según su espectro de absorción entre las más comunes se encuentran la clorofila a y b. La clorofila a, es la principal en las plantas superiores y algas, es de color verde porque absorbe con preferencia la luz roja (absorción máxima a 68 nm) y azul (absorción máxima a 43 nm) y transmite la luz verde (Madigan et al., 23). En la Figura 3 se

22 1 presenta el espectro de adsorción de diferentes tipos de clorofila y sus respectivas longitudes de absorción. Figura 3 Espectros de absorción de clorofila a, b y c. (Rodríguez, 213) En la Tabla 3 se presentan algunas divisiones de algas identificando el contenido de pigmentos (Clorofila a, b y c) Tabla 3 Presencia de clorofila a, b y c de acuerdo a diferentes grupos de algas (Hoek et al., 22) Division Clorofila a Clorofila b Clorofila c Chlorophyta X X X Chlorarachniophyta X X Cyanophyta X Cryptophyta X X Dinophyta X X Euglenophyta X X Glaucophyta X Haptophyta X X X Heterokontophyta X X X Prochlorophyta X X Rhodophyta X : Divisiones más comunes en agua dulce

23 11 Las divisiones de algas más comunes en agua dulce de acuerdo con Di Bernardo (1995), Di Bernardo y Sabogal (29) y GAIA (211) son: Cyanophyta, Glaucophyta, Cryptophyta, Dinophyta, Euglenophyta, Chlorophyta. La estimación de la biomasa de algas planctónicas puede realizarse por dos métodos, la cuantificación del biovolumen geométrico y la concentración de clorofila a, ya que es el principal pigmento fotosintético presente en los diferentes grupos de algas, ambas variables representan efectivamente las diferencias de biomasa en el espacio y en el tiempo, registrando además un alto grado de correlación. Mediante un adecuado protocolo de extracción de la clorofila a se obtiene una rápida y efectiva estimación de la biomasa de algas (GAIA, 211). Investigaciones realizadas por Di Bernardo y Sabogal, (29) para la determinación de biomasa algal demuestran que la clorofila a presenta correlaciones con la biomasa superiores al 9%, lo que convierte a este pigmento en un excelente indicador del crecimiento biológico Algas en unidades de filtración La presencia de algas en cantidades moderadas son usualmente benéficas para el funcionamiento de unidades de filtración lenta en arena (IRC-Cinara, 1999), por lo cual es de gran importancia conocer el papel que juegan estos organismos no solo en unidades FLA sino también en unidades FGAC en las cuales es más fácil conseguir su crecimiento debido a la disponibilidad de nutrientes pero es más complicado mantenerlas por la variabilidad en calidad del agua que se puede presentar ya que esta unidad admite mayor cantidad de sólidos que un FLA. Las algas son generalmente retenidas en la parte superior de los lechos, donde se desarrolla la biopelícula, la cual con un crecimiento significativo puede ocasionar pérdidas aceleradas de energía hidráulica y la consecuente disminución de la carrera de filtración (IRC-Cinara, 1999). Este proceso de obstrucción por crecimiento de algas puede darse más fácilmente en unidades de flujo ascendente debido a que en la superficie resulta el sobrenadante clarificado permitiendo la penetración de la luz solar en la columna de agua por encima de la parte superior del medio granular (Di Bernardo y Sabogal, 29). En la Tabla 4 se muestran algunos grupos y especies de algas que comúnmente causan obstrucción en los filtros lentos y que podrían desarrollarse en la superficie de los FGAC.

24 12 Tabla 4 Grupos y especies de algas que comúnmente causan obstrucción en los filtros lentos (Di Bernardo, 1995). Grupo Cyanophyta (cianobacterias) Chlorophyta (algas verdes) Chrysophyta (diatomeas) Pirrophyta (dinoflagelados) Euglenophyta Especie Anabaena flos-aquae, Anacystis dimidata, Oscillatoria amphibia, Oscillatoria chalibea, Oscillatoria ornata, Oscillatoria princips, Oscillatoria pseudogeminata. Chorellapyreidonosa, Closterium moniferum, Spyrogira porticalis, Tibonema bombycinum, Palmela mucosa. Cyclotella meneghiniana, Cymbela ventricosa, Diatoma vulgare, Dynobryon sertularia, Fragilaria, crotonensis, Melosira granulata, Melosira itálica, Navicula graciloides, Navicula lanceolata. Peridinium wisconsinense Trachelomonas aebea Nutrientes De acuerdo con Sánchez (1996) los organismos fotosintéticos (productores primarios), se benefician de los nutrientes transportados, por el agua afluente en forma de nitratos y fosfatos. Estos nutrientes contribuyen al desarrollo de las algas que a su vez son fuente de alimento de los protozoos. Los detritus transportados por el agua afluente y generados por la muerte y descomposición de los productores primarios (algas), son utilizados por las bacterias (especialmente bacterias saprófitas) para su crecimiento, las bacterias a su vez son fuente de alimento de los protozoos y rotíferos, principales consumidores primarios de la cadena alimenticia. Los microorganismos en la biopelícula necesitan de fuentes de carbono, nitrógeno, fósforo y azufre para su crecimiento. El nitrógeno (en forma de nitratos) esta generalmente en trazas muy pequeñas en aguas naturales, este es un nutriente esencial para muchos autótrofos fotosintéticos, el fósforo (en forma de fosfatos) está presente en agua naturales y residuales y es considerado esencial para el crecimiento de los organismos (Sánchez, 1996).

25 Mantas sintéticas Las mantas sintéticas son generalmente hechas de fibras de polipropileno, poliamida y poliéster y tienen alta porosidad (alrededor del 8 al 9%). Están fabricadas de tal forma que presentan resistencia a la tensión, abrasión, calor, radiación ultravioleta, al ataque de compuestos como ácidos, alcalinizantes y agentes oxidantes, poseen alta elongación, lo que permite un mejor acomodamiento en cualquier superficie, manteniendo su resistencia bajo las deformaciones iniciales que presente el lugar o el dispositivo donde se estén empleando (Cinara, 21). Las características y propiedades físicas de las mantas sintéticas sugieren, que son adecuadas para la filtración de agua con sólidos en suspensión ya que no se deterioran en el agua y son fáciles de limpiar. Paterniani (1991) afirma que la combinación de los parámetros: conductividad hidráulica, superficie específica y espesor de las mantas, ayudan a determinar la manta que mejor se adapta a las condiciones de filtrado, así como a la tasa de filtración, a la calidad del agua y al sistema de filtración utilizado. Mbwette y Graham (1987) investigaron ampliamente las propiedades y características de diferentes tipos de mantas sintéticas. Como resultados presentan que las mantas se dividen en dos grandes grupos: tejidas y no tejidas, además se afirma que las tejidas no son las más apropiadas para la filtración en arena debido a que poseen un espesor muy fino, una porosidad y un área superficial especifica muy baja, por lo cual la probabilidad de remover partículas y almacenarlas es muy baja en comparación con las mantas no tejidas, que presentan unas mejores características en este sentido. Por lo tanto, si se tiene en cuenta que la filtración en grava necesita una tasa de filtración más alta en relación a la filtración lenta en arena, entonces se requiere, mayor porosidad, mayor área superficial y mayor espesor de la manta, para que no ocurran mayores pérdidas de carga en tiempos cortos de operación, y existan mejores carreras de filtración, por lo tanto, deben emplearse mantas sintéticas no tejidas con características que se ajusten a la filtración en grava (Viáfara, 212).

26 Mantas en unidades de filtración gruesa Estudios con mantas sintéticas en filtros gruesos han sido pocos y menos explorados en relación a los trabajos de mantas sobre unidades de filtración lenta en arena Los trabajos más relevantes en el tema se presentan a continuación: Di Bernardo, 1997, en su trabajo Uso de mantas sintéticas em pré-filtros de pedregulho para pré-tratamento de águas de abastecimento: en el cual desarrolló experimentos comparativos en dos unidades de pre-filtración de flujo vertical ascendente, una de ellas combinada con una manta sintética. En 21 Rengifo, realizó un estudio sobre del uso de mantas sintéticas no tejidas sobre la superficie del lecho filtrante de los filtros gruesos dinámicos (FGDI) como un método de acondicionamiento de la calidad de agua para los siguientes procesos de tratamiento. Paterniani, en 24, en su estudio Eficiência da pré-filtração e filtração lenta no tratamento de água para comunidades rurales evaluò el desempeño mantas sintéticas en los filtros lentos y gruesos. Autores como Di Bernardo, (1997); Paterniani, (1991) y Graham et al., (1994), sugieren el uso de mantas sintéticas no tejidas en las unidades de filtración ya que proveen ciertas ventajas debido a las características de las fibras, las cuales permiten una mayor retención de partículas y un mejor comportamiento como medio filtrante. Las mantas sintéticas pueden disminuir la altura del lecho filtrante, aumentar la eficacia de remoción de partículas de menor tamaño y aumentar las carreras de filtración, hecho que prevé una reducción en el tiempo que el operador dedica a las tareas de operación y mantenimiento, estas ventajas se ven reflejadas en una disminución de costos de inversión inicial y mantenimiento (Viáfara, 212). Sin embargo son pocas las aplicaciones a escala real que indiquen si tales ventajas son realmente observables y se desconoce el impacto sobre los costos de operación y mantenimiento.

27 Simulación del crecimiento de algas Existen diferentes programas computacionales que pueden ser empleados para la modelación de procesos y en particular para modelar el comportamiento de las algas. En este trabajó con el modelo AQUASIM que fue desarrollado por el instituto suizo de ciencia y tecnología ambiental EAWAG, para la identificación y simulación de sistemas acuáticos, construidos a escala real y a escala piloto. Las tareas realizadas por el programa son la simulación, el análisis de sensibilidad, estimación de parámetros y análisis de incertidumbre (Reichert, 1998), una de las ventajas de este programa es que es de libre acceso; además soporta varios sistemas operativos entre los cuales se encuentra Windows en el cual se trabaja por medio de una interfaz por ventanas que facilita el uso del software, ver figura 4. Figura 4. Interfaz de AQUASIM para Windows En cuanto a requerimientos AQUASIM requiere como mínimo 16 MB de RAM, 1 MB de espacio en el disco duro y en el caso de Windows se admite desde el sistema MS Windows 95. AQUASIM trabaja mediante la definición de variables, procesos, compartimientos y enlaces para la formulación del sistema a simular (ver Figura 4). Entre los tipos de variables disponibles en AQUASIM se encuentran: Variables de estado: estas describen propiedades del agua o de una superficie en contacto con el agua (por ejemplo, temperatura, masas o concentraciones de sustancias disueltas o en suspensión o de sustancias unidas a una superficie) (Reichert, 1998).

28 16 Variables de programa: estas se refieren a cantidades predefinidas del sistema, pueden representar variables independientes como el tiempo y el espacio, también pueden utilizarse para definir condiciones iniciales de los compartimientos que hacen parte de un sistema (Reichert, 1998). Variables de lista real: estas variables se utilizan para proporcionar datos medidos o para formular dependencias en otras variables con la ayuda de pares de datos interpolados, en donde el método de interpolación es definido por el usuario (Reichert, 1998). Variables de fórmula: estas son utilizadas para crear variables dependientes o relaciones funcionales mediante el uso de expresiones algebraicas que contienen otras variables anteriormente definidas, con la limitación de que no son permitidas las referencias cíclicas (Reichert, 1998). Dentro de los compartimientos disponibles en AQUASIM se encuentra un comportamiento específico para la simulación de la biopelícula, que puede ser utilizado para conocer el crecimiento del mismo de acuerdo a concentraciones de nutrientes específicas. En la Figura 5, se muestra la interfaz de AQUASIM para la configuración del compartimiento de simulación de biopelículas. Figura 5. Interfaz de configuración del compartimiento de desarrollo de biopelícula

29 17 3. METODOLOGIA La investigación se realizó en la estación de investigación y transferencia de tecnología de Cinara ubicada en Puerto Mallarino Santiago de Cali (ver Figura 6). El estudio se desarrolló a escala piloto para lo cual se instaló un FGAC (ver Figura 7), para evaluar el comportamiento de las algas con un grupo de mantas sintéticas; por un período de tres meses y quince días. El FGAC fue alimentado con agua cruda procedente del río Cauca. Figura 6 Estación de investigación y transferencia de tecnología - Cinara. Figura 7 FGAC piloto. Los parámetros y variables de la investigación se presentan en la Tabla 5. La frecuencia para los parámetros y puntos de muestreo se relacionan en la Tabla 6.

30 18 Tabla 5 Parámetros y Variables de la Investigación Parámetro Unidad Variables Independientes Valor Coliformes Totales UFC/1ml E.coli UFC/1ml Velocidad de filtración,5 m/h Clorofila a, b y c g/m 3 Nitratos g/m 3 Fosfatos g/m 3 Solidos Totales g/m 3 Altura del lecho filtrante 1 m Solidos Volátiles g/m 3 Oxígeno disuelto g/m 3 Extracción de material Temperatura C Tipo de la limpieza flotante y descargas ph Unidades sucesivas de fondo Turbiedad UNT Altura de agua Caudal l/s sobrenadante,7 m Tabla 6 Puntos de muestreo y frecuencias para los parámetros de evaluación en el filtro piloto. Parámetro Puntos de Muestreo Afluente Capa 1 Capa 2 Capa 3 Capa 4 Manta Total Coliformes Totales 1d 1d 1d 1d 1d 1d 5d E.coli 1d 1d 1d 1d 1d 1d 5d Clorofila a 1d 1d 1d 1d 3d 1d 7d Clorofila b 1d 1d 1d 1d 3d 1d 7d Clorofila c 1d 1d 1d 1d 3d 1d 7d Nitratos 1d 1d 1d 1d 1d 1d 5d Fosfatos 1d 1d 1d 1d 1d 1d 5d Solidos Totales 1d 1d 1d 1d 1d 1d 5d Solidos Volátiles 1d 1d 1d 1d 1d 1d 5d Oxígeno Disuelto 1d 1d 2d ph 1d 1d 1d 1d 1d 1d 5d Turbiedad 1d 1d 1d 1d 1d 1d 5d Caudal 2d 2d 4d d: diarias

31 Descripción del experimento Para la evaluación del comportamiento de las algas en un FGAC, una unidad piloto se acondicionó para facilitar la toma de muestras y la medición de la pérdida de carga a lo largo del lecho filtrante, este fue antecedido de una unidad de filtración dinámica (FGDi). En la Figura 8 se presentan las capas de grava que componen el filtro piloto en el orden del sentido de flujo, con sus respectivos puntos de muestreo. AGUA CRUDA RIO CAUCA FGDi FGAC * Efluente * Mantas sintéticas * Capa 4 * Capa 3 * Capa 2 * Capa 1 * Afluente Figura 8 Unidad piloto de experimentación y puntos de muestreo Puntos de muestro en la columna de agua Puntos de muestreo de clorofila a, b y c

32 2 Nota: los parámetros medidos en cada capa correspondieron a: * Coliformes Totales, E.coli, Nitratos, Fosfatos, Sólidos Totales, Sólidos Volátiles, Sólidos Suspendidos Totales, Color real, ph, Pérdida de Carga, Clorofila a, Clorofila b, Clorofila c. Oxígeno Disuelto El FGAC fue cubierto en la superficie por un conjunto de 3 mantas sintéticas las cuales tienen como función retener parte de las impurezas que fluyen por el medio granular, aumentar la duración de la carrera de filtración, disminuir el espesor de la capa de grava sin perjudicar la calidad del efluente y facilitar la limpieza de la unidad (Di Bernardo y Sabogal, 29; Sánchez, 1996). Las características del filtro piloto se presentan en la Tabla 7 y en la Figura 9 donde se muestra el acondicionamiento del filtro piloto, que incluye las unidades de aforo y FDGi, que facilitó la retención de picos elevados de SST. También se realizaron las pruebas de granulometría y porosidad para identificar los tamaños adecuados de grava y la posterior selección de las mantas a utilizar. Para medir la pérdida de carga fueron instalados en el FGAC una caja de piezómetros y se instaló el sistema de drenaje. Tabla 7 Características del filtro piloto Característica Valor Material del filtro Ferrocemento Forma Circular Diámetro 1,93 m Altura Total 2 m Capa 1 Espesor:,25 m Tamaño: 3/4 1 Porosidad: 52 % Capa 2 Espesor:,25 m Tamaño: 1/2 3/4 Porosidad: 45 % Capa 3 Espesor:,25 m Tamaño: 1/4 1/2 Porosidad: 39 % Capa 4 Espesor:,16 m Tamaño: 1/4 1/8 Porosidad: 34 % Manta 1 - NT-18 Espesor: 1,6 mm Área superficial: (m 2 /m 3 ) Porosidad: 87,9 % Manta 2 - NT-2 Espesor: 1,8 mm Área superficial: 1586 (m 2 /m 3 ) Porosidad: 87,7 % Manta 3 - NT-3 Espesor: 2,2 mm Área superficial: 2661 (m 2 /m 3 ) Porosidad: 83, % Las pruebas correspondientes a la granulometría de la grava se relacionan en el Anexo 1.

33 21 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) Figura 9 Acondicionamiento de unidades piloto. (a) Filtro dinámico. (b) Canaletas de aforo volumétrico. (c) Limpieza del FGAC. (d) Sistema de drenaje del FGAC. (e) Llenado del FGAC con grava limpia. (f) Instalación de piezómetros. (g) lecho de grava limpia antes de dar inicio a la carrera de filtración (h) acondicionamiento de las mantas sintéticas.

34 Procedimientos Las unidades piloto se operaron a una velocidad de,5 m/h, durante un periodo de 19 días y se realizó una sola limpieza a los 66 días. Para el cumplimiento de los objetivos se procedió de la siguiente manera: Se controló y midió el caudal afluente Se realizó la limpieza cuando la eficiencia del filtro empezó a estabilizarse Se tomaron muestras diarias a las 1 am, en el afluente, capas de grava, manta y efluente Se realizaron 3 muestreos 24 horas de seguimiento al oxígeno disuelto Con la información obtenida se procedió a realizar el análisis de datos en Excel La información relacionada con el comportamiento de algas se utilizó para alimentar el software AQUASIM y simular el crecimiento de la capa biológica. En la Tabla 8 se presentan las variables consideradas en el software. 3.3 Simulación Los parámetros medidos en la fase experimental se utilizaron con el fin de alimentar el programa AQUASIM, el cual consiste en un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias y/o parciales y ecuaciones algebraicas, que describen el comportamiento determinista para un conjunto de variables de un sistema acuático. En este caso se analizó el crecimiento de la biopelícula en la superficie de un FGAC, teniendo en cuenta la concentración de Clorofila, Nitratos, y Fosfatos. Los pasos para el análisis fueron los siguientes: 1. Definición de las variables para la simulación: el software ofrece los siguientes tipos de variables, estado, programa, constantes, listas reales, listas de variables. Estas variables representan concentraciones que son medidas de manera experimental. La selección de un tipo de variable u otra está determinada por el proceso que se desea simular. Cuando es necesario modificar la formulación matemática incluida en el programa por defecto, se utilizan las variables de formula y sondeo (iteración), para realizar los ajustes.

35 23 Las variables utilizadas se describen en la Tabla 8. Tabla 8 Variables utilizadas en AQUASIM para la simulación del crecimiento de la biopelícula. Variable Descripción Tipo Expresión / Valor Unidad CDS1 coeficiente de difusividad sustrato 1 FV,1 m 2 /d CDS2 coeficiente de difusividad sustrato 2 FV,1 m 2 /d CO1 concentración organismo 1 SV - g/m 3 CS1_1 concentración sustrato 1 carrera 1 RLV Anexo 2 g/m 3 CS1_2 concentración sustrato 1 carrera 2 RLV Anexo 2 g/m 3 CS2_1 concentración sustrato 2 carrera 1 RLV Anexo 2 g/m 3 CS2_2 concentración sustrato 2 carrera 2 RLV Anexo 2 g/m 3 DB Concentración máxima FV 4,6 g/m 3 GB grosor biopelícula PV - m Q caudal FV m 3 /d RO1S1 rendimiento de algas - sustrato 1 RLV Anexo 2 - RO1S2 rendimiento de algas - sustrato 2 RLV Anexo 2 - TCE1_1 tasa de crecimiento de algas en carrera 1 FV,13 1/d TCE1_2 tasa de crecimiento de algas en carrera 2 FV,2 1/d Tiempo días de carrera de filtración PV - d TRO1 tasa de respiración organismo 1 SV - 1/d TSS1 tasa de saturación sustrato 1 FV 2 g/m 3 TSS2 tasa de saturación sustrato 2 FV 2 g/m 3 FV: Variable de formula SV: Variable de estado RLV: Variable de lista real PV: Variable de programa Las variables de lista real corresponden a mediciones realizadas durante la fase experimental, los valores correspondientes se muestran en el Anexo Selección del tipo de proceso que se llevará acabo, bien sea dinámico o en equilibrio. Al igual que las variables es posible la modificación matemática de los procesos para permitir el ingreso de las constantes de proceso que lo requieran.

36 24 Los procesos utilizados se describen en la Tabla 9. Tabla 9 Procesos utilizados en AQUASIM para la simulación del crecimiento de la biopelícula Proceso Descripción Tipo Ecuación CO1S1_1 crecimiento de algas - sustrato 1 carrera 1 DP TCEO1_1*CS1_1 / (TSS1+CS1_1)*CO1 CO1S1_2 crecimiento de algas - sustrato 1 carrera 2 DP TCEO1_2*CS1_2 / (TSS1+CS1_2)*CO1 CO1S2_1 crecimiento de algas - sustrato 2 carrera 1 DP TCEO1_1*CS2_1 / (TSS2+CS2_1)*CO1 CO1S2_2 crecimiento de algas - sustrato 2 carrera 2 DP TCEO1_2*CS2_2 / (TSS2+CS2_2)*CO1 RO1 respiración de algas DP TRO1*CO1 DP: Proceso dinámico 3. Acorde a lo definido por Reichert (1998), el compartimiento seleccionado para el análisis del comportamiento (crecimiento) de la biopelícula fué el compartimiento de desarrollo de biopelícula, los datos empleados correspondieron a dos carreras de filtración, siendo la primera en condición de lecho limpio, este compartimiento trabajó por medio de un área determinada con variables definidas en el compartimiento, incluyendo condiciones iniciales de variables, número de especies simuladas, concentración de nutrientes disponibles y la eficiencia de los organismos sobre ese sustrato. Los compartimientos empleados se describen en la Tabla 1. Tabla 1 Compartimientos utilizados en AQUASIM Compartimiento Descripción Tipo Entradas MANTA_CA_1 Crecimiento de biopelícula sobre la manta CS1_1:CS1_1*Q BR carrera 1 CS2_1:CS2_1*Q MANTA_CA_2 Crecimiento de biopelícula sobre la manta CS1_2:CS1_2*Q BR carrera 2 CS2_2:CS2_2*Q BR: Reactor biopelícula

37 25 4. Como paso final se definieron las relaciones entre las variables, procesos y compartimientos, para tener un sistema completo e iniciar la simulación, la comparación entre los resultados de la simulación y los datos originales (ver Figuras 23 y 24), permitió comprobar la efectividad de la elección de las variables y los compartimientos. 3.4 Muestreo Para la toma de muestras del afluente se procedió a tomar el agua en las canaletas de aforo el cual era el punto abierto más cercano al FGAC. Para la toma de muestras en las capas 1 a 4 se utilizaron las tuberías de los piezómetros que tenían acceso al agua en el centro de cada capa. Para la toma de muestras en la superficie se procedió a tomar el agua de la tubería efluente. Para el caso de la clorofila se instalaron muestreadores a 1 y 15 cm de profundidad desde la superficie con el fin de facilitar la toma de muestras y trozos de manta adheridos a las mantas sintéticas e identificar el crecimiento de algas. 3.5 Procedimiento de limpieza La limpieza se realizó cuando la eficiencia del filtro empezó a estabilizarse y la concentración de clorofila presentó un comportamiento asintótico. Inicialmente se realizaron descargas sucesivas de fondo hasta drenar totalmente el filtro, esta operación se realizó tres veces consecutivas hasta que los niveles de turbiedad en las descargas comenzaron a estabilizarse. Antes del último llenado para entrar en operación, se retiró el grupo de mantas, las cuales fueron lavadas con agua tratada, retirando el material biológico adherido. Finalmente se instalaron las mantas, se calibró el caudal de entrada y el filtro entró en operación nuevamente; el proceso de limpieza duró 6,5 horas. 3.6 Medición de caudal Se midió el caudal diariamente a la entrada en las canaletas de aforo (Figura 9 (a) y (b)) y salida de la unidad (tubería efluente), el método seguido fue el procedimiento volumétrico, y los valores obtenidos se encuentran en el Anexo 3.

38 Preparación del medio filtrante A la arena empleada en la unidad FGAC se le realizaron análisis granulométricos, se le determinó la densidad y se calculó su porosidad. La selección se realizó siguiendo los criterios de diseño mencionados en el ítem 2.2.2, las pruebas correspondientes a la granulometría de la grava se encuentran en el Anexo Preparación de mantas De acuerdo a los resultados obtenidos por Di Bernardo (1997) el uso de mantas sintéticas sobre la superficie de un una unidad de filtración en grava, (con áreas superficiales entre 1388 m 2 /m 3 y 2662 m 2 /m 3, porosidades entre 8 y 9% y espesor superior a 5 mm), mejoran la calidad de agua ya que aumentan la eficiencia de filtración o retención de partículas y la duración de la carrera de filtración de la unidad. Por lo tanto se procedió a identificar los valores de las propiedades de las mantas para favorecer carreras de filtración más largas y aumentar la retención de partículas en el filtro, se eligieron las mantas con las áreas superficiales más grandes, mayores espesores, porosidades entre 8-9%. Tabla 11 Criterios utilizados en el experimento para la selección de mantas (Di Bernardo, 1997; Paterniani, 1991) Parámetro Valor Superficie Específica (m 2 /m 3 ) Conductividad hidráulica > 1,3 mm/s Porosidad > 8 % Espesor > 2 mm Después de seleccionar las mantas y su ubicación se procedió a realizar la adecuación de acuerdo a la geometría del FGAC y a instalarlas en la superficie de la unidad como se muestra en la Figura 1.

39 27 (a) (b) Figura 1 Proceso de adecuación e instalación de mantas. (a) Adecuación a la geometría de la unidad. (b) Instalación del conjunto de muestreadores. En la Figura 1 (b) se puede apreciar la instalación de trozos de manta y los flotadores correspondientes a los muestreadores ubicados a 1 y 15 cm de profundidad para facilitar la toma de muestras y la detección de crecimiento de algas sobre la superficie de la manta. 3.9 Justificación y descripción de parámetros experimentales Las variables medidas en esta investigación fueron: turbiedad, coliformes totales, E.coli, nitratos, fosfatos, Solidos Totales, Solidos Suspendidos Totales, Clorofila a, b y c. Una descripción de los métodos seguidos se presenta a continuación: Turbiedad La turbiedad es una medida gruesa de partículas orgánicas e inorgánicas en el agua. La turbiedad es un parámetro de interés en salud pública porque en este parámetro se puede incluir microorganismos patógenos o sustancias toxicas; altos valores de turbiedad pueden indicar altos riegos para la salud (Sánchez, 1996). La Organización Mundial de la Salud (OMS) recomienda este parámetro para evaluar sistemas de tratamiento. El método de medición seguido es el recomendado por el Standard Methods 25.

40 Sólidos Totales, Sólidos Suspendidos Totales y Sólidos Volátiles La determinación de Sólidos Suspendidos Totales (SST), cantidad de partículas flotantes o suspendidas en la columna de agua, que pueden ser separadas del líquidos por medios físicos, Sólidos Volátiles (SV), porción de materia orgánica que puede oxidarse a 55 C, Sólidos Totales (ST), grupo de partículas que incluyen a los sólidos disueltos, suspendidos y sedimentables en agua (Restrepo, 28), se realizaron por los métodos (254 B 2-56), (254 D 2-58), (254 E 2-59) respectivamente, de acuerdo a lo recomendado por el Standard Methods, Coliformes totales y E.coli Los principales riesgos de naturaleza aguda para la salud humana asociado con sistemas de abastecimiento de agua son de tipo microbiológico, por lo que estos son importantes indicadores de calidad de agua para consumo humano (Sánchez, 1996). El conteo de coliformes y E.coli se hizo por la técnica de filtración por membrana de acuerdo a lo recomendado por el Standard Methods 25 (9222 B 9-6); los datos se reportaron como UFC/1ml Nitratos y Fosfatos Nutrientes como los nitratos y fosfatos son esenciales para el crecimiento de los microorganismos en el filtro de ahí la importancia de medir estos parámetros por su incidencia en el crecimiento de las poblaciones biológicas y la eficiencia de los filtros (Sánchez, 1996). El método seguido para la determinación de nitratos fue el espectrofotométrico (45 B 4-12), realizado de acuerdo con el Standard Methods, (25). La determinación de Fosfatos se hizo por el método de la reducción de cloruro estañoso (45 D 4-152) de acuerdo con el Standard Methods, (25) Clorofila a, b y c La clorofila a, b y c fué medida como indicador de crecimiento biológico y para determinar la biomasa algal ya que de acuerdo con Di Bernardo y Sabogal (29) la clorofila a presenta correlaciones con la biomasa superiores al 9%, por lo cual los resultados de la simulación se confrontaron con las mediciones de clorofila a, la determinación de los tres tipos de clorofila se hizo por medio de método espectrofotométrico (12 H 1-18), realizado de acuerdo con el Standard Methods (25).

41 29 4. RESULTADOS 4.1 Comportamiento de las algas a diferentes profundidades del material filtrante El seguimiento de clorofila a, b y c en la columna de agua correspondió a cada capa de grava y mantas sintéticas, con el fin de identificar en cuál de las capas se podría desarrollar actividad biológica relacionada con estos pigmentos. En la Figura 11 se muestra el comportamiento de la clorofila a, b y c en la columna de agua para las capas 1, 2 y 3 del FGAC durante la primera carrera de filtración. Figura 11 Comportamiento de la clorofila, capas 1, 2 y 3 durante la primera carrera de filtración. Como se puede observar en la Figura 11 la actividad biológica relacionada con clorofila en las primeras 3 capas de material filtrante (,25 m cada una) es muy escasa en los 66 días correspondientes a la primera carrera de filtración, razón por la cual ninguna se estas capas fue seleccionada para el análisis de crecimiento de algas sobre la superficie. Por lo tanto en un FGAC en grava el crecimiento de las algas no se desarrolla en la profundidad del lecho.

42 3 En la Figura 12 se muestra el comportamiento de la clorofila a, b y c en la columna de agua para las capa 4 y salida del FGAC durante la primera carrera de filtración. Figura 12 Comportamiento de la clorofila en la capa 4 y salida durante la primera carrera de filtración. Los muestreos en la columna de agua mostraron que la última capa de grava (capa 4) y el conjunto de mantas sintéticas fueron las que presentaron mayor actividad relacionada con los pigmentos (clorofila a, b y c, como se observa en la Figura 12), los muestreos en la columna de agua solo fueron utilizados para la identificación de las zonas con actividad biológica, (los cuales evidencian la presencia del pigmento mas no su comportamiento), debido a que los datos obtenidos por medio de este método de muestreo presentan interferencias relacionadas con la calidad del agua al momento de la toma de muestra, razón por la cual se consideran poco representativos del fenómeno de superficie, se decidió realizar el muestreo de clorofila en la superficie sobre la manta y en la capa de grava 4, para 1 y 15 cm de profundidad. Esos resultados se clasificaron por profundidad (ver Figura 13) y por tipo de clorofila (ver Figura 14), para las dos carreras de filtración.

43 Clorofila (g/m 3 ) Clorofila (g/m 3 ) Clorofila (g/m 3 ) 31 5 Lavado , Dia de operación Clorofila a Clorofila b Clorofila c Polinómica (Clorofila a) Polinómica (Clorofila b) Polinómica (Clorofila c) (a) Lavado 1,2,8, Dia de operación Clorofila a Clorofila b Clorofila c Polinómica (Clorofila a) Polinómica (Clorofila b) Polinómica (Clorofila c) (b),6 Lavado,4, Dia de operación Clorofila a Clorofila b Clorofila c Polinómica (Clorofila a) Polinómica (Clorofila b) Polinómica (Clorofila c) (c) Figura 13 Comportamiento de la clorofila por profundidad. (a) Manta sintética (b) 1 cm (capa 4) (c) 15 cm (capa 4)

44 Clorofila c (g/m 3 ) Clorofila b (g/m 3 ) Clorofila a (g/m 3 ) Lavado Dia de operación Manta 1 cm 15 cm Polinómica (Manta) Polinómica (1 cm) Polinómica (15 cm) (a) 3 2,5 2 1,5 1,5 Lavado Dia de operación Manta 1 cm 15 cm Polinómica (Manta) Polinómica (1 cm) Polinómica (15 cm) (b) 2,5 2 1,5 1,5 Lavado Dia de operación Manta 1 cm 15 cm Polinómica (Manta) Polinómica (1 cm) Polinómica (15 cm) (c) Figura 14 Comportamiento por tipo de clorofila. (a) Clorofila a (b) Clorofila b (c) Clorofila c

45 33 Como se observa en las Figuras 13 y 14 la colonización (aparición) de algas inició en la capa superior o manta a los 12 días de iniciada la primera carrera de filtración, 7 días después se detectó clorofila a 1 cm de profundidad y 3 días después de detectar clorofila a los 1 cm se encontró a los 15 cm donde las concentraciones eran demasiado bajas coincidiendo con los resultados obtenidos del muestreo en columna de agua. Para la segunda carrera de filtración la colonización (aparición) de algas inició en solo 2 días y las concentraciones de clorofila de la primera carrera de filtración fueron alcanzadas más rápido, esta diferencia se debe a que la primera carrera se realizó bajo lo condición de lecho limpio (grava limpia y manta limpia), razón por la cual fue necesario más tiempo para la adaptación y colonización de organismos, esto acorde con lo reportado por Di Bernardo (1995). También se puede observar que la clorofila a presenta las mayores concentraciones en la superficie a 1 y 15 cm de profundidad lo que la convierte en el pigmento dominante en el FGAC, los tres tipos de clorofila fueron disminuyendo sus concentraciones con la profundidad en la capa 4 del FGAC, pero la clorofila b fue las más afectada ya que disminuyó su concentración en mayor proporción pasando de ser la segunda clorofila con mayor concentración en la superficie a ser la clorofila en menor concentración a los 15 cm de profundidad. En las Figuras 13 y 14, se puede observar que la clorofila a en un FGAC con manta presenta un desarrollo en tres fases: en la fase uno se observó un fenómeno de adaptación en los primeros 2 días, la fase de crecimiento se dió entre el día 2 al 6 y después se tiene una fase de estabilización (o de equilibrio) para la primera carrera de filtración, para la segunda carrera de filtración la fase uno presentó un periodo de adaptación de 4 días, la fase de crecimiento se dió entre el día 71 al 95 y posteriormente se presentó la fase de estabilización. El mejor ajuste para los comportamientos de los diferentes tipos de clorofila corresponden a tendencias polinómicas de tercer grado. Los resultados de las tendencias por cada carrera de filtración se encuentran en el Anexo 4.

46 34 Para la primera carrera de filtración se presentó una distribución uniforme de algas en la superficie de la manta y la capa 4 del lecho como se muestra en la Figura 15. Figura 15 Alga predominante en la carrera de filtración 1. Para la segunda carrera de filtración se presentó una distribución no uniforme de algas filamentosas en la superficie como se observa en la Figura 16, estas algas pasaron a ser las de mayor presencia en la superficie del filtro, las algas fueron identificadas como algas verdes pertenecientes a la división Chlorophyta y género Spyrogyra. Figura 16 Alga predominante en la carrera de filtración 2.

47 35 En la Figura 17 se prentan las fotos realizadas al microscopio para la identificacion de las algas que presentaron el mayor crecimiento en la superficie del filtro. En la Figura 16c, se aprecia el cloroplasto en forma de espiral, característico de la Spyrogyra. (a) (b) (c) Figura 17 Spirogyra. (a) Muestra de la masa de algas. (b) vista al microscopio 1. (c) vista al microscopio 2. Con la información de los datos experimentales se procedió a alimentar las variables y a definir los diferentes procesos y compartimientos para la simulación del crecimiento de la biopelícula sobre la superficie por medio de AQUASIM, cuyos resultados se muestran en la Figura 18.