metodología para la estimación del coeficiente de
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Metodología para la estimación del coeficiente de p artición de bacterias coliformes en cuerpos de agua superficial es
Óscar Roberto Díaz Duque
Proyecto de grado en Ingeniería Ambiental
Director Luis Alejandro Camacho
Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería
Departamento de ingeniería civil y ambiental
Bogotá D.C 2013
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Contenido Capítulo 1: Introducción .......................................................................................... 3
Aspectos Generales ............................................................................................ 3
Pregunta de investigación .................................................................................... 5
Justificación ......................................................................................................... 6
Metodología ......................................................................................................... 7
Resultados Principales ........................................................................................ 8
Resumen de contenido ...................................................................................... 10
Capítulo 2: Revisión del estado del arte ................................................................ 11
Organismos indicadores .................................................................................... 11
Decaimiento de bacterias coliformes en aguas superficiales............................. 12
Descripción detallada decaimiento por sedimentación .................................. 14
Proyecto de grado María Gamboa ..................................................................... 16
Factores que influyen en las tasas de decaimiento de bacterias coliformes .. 16
Modelos para la aplicación de Kd .................................................................. 17
Capítulo 3. Procedimiento experimental propuesto para la estimación del coeficiente de partición .......................................................................................... 20
Toma de muestras ............................................................................................. 21
Procedimiento de laboratorio ............................................................................. 23
Capítulo 4. Aplicación de la metodología en el río Bogotá .................................... 25
Sitios de medición .............................................................................................. 25
Detalles de medición ......................................................................................... 31
Capítulo 5. Resultados .......................................................................................... 34
Capítulo 6. Conclusiones y Recomendaciones ..................................................... 39
Conclusiones ..................................................................................................... 39
Recomendaciones ............................................................................................. 40
Bibliografía ............................................................................................................ 41
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Capítulo 1: Introducción
Aspectos Generales
En la actualidad, el agua es uno de los recursos más preciados por el ser humano. Existen 1386 millones de km3 sobre toda la tierra pero la gran mayoría se
encuentra en los océanos. El 97.5% del total es salada, mientras que sólo el 2.5% restante es agua dulce, y de este último, está disponible para su uso sólo cerca del 30%, pues el resto se encuentra en glaciares en forma de hielo o nieve. (Comisión Nacional del Agua, 2011). La cantidad de agua necesitada para el uso humano proyectada a 50 años, será mayor a la cantidad existente. Ya en el día de hoy existe un déficit, pues una de las principales causas de muerte en la sociedad
está relacionada con la falta de acceso a agua potable. Actualmente, más de 1100 millones de personas no tienen acceso a agua consumible, lo que hace que se presenten más de 250 millones de casos de enfermedades relacionadas con el agua y cerca de 5-10 x 106 muertes cada año (Ecological Society of America). Además de la limitación de este recurso en el planeta, es conocido que la
población mundial está en ascenso, y por lo tanto la demanda de agua requerida para satisfacer a toda la humanidad también lo está. El problema yace en que el abastecimiento de agua es limitado, y el requerimiento de la misma es cada vez mayor. Gracias a este recurso, es posible tanto nuestra existencia como nuestra subsistencia y, aunque dependemos de ella, continuamos contaminando sin medida sus cauces alrededor de todo el planeta. Asimismo, aunque tenemos el conocimiento de la escasez, aún no se han tomado las medidas regulatorias necesarias para poder emplear este recurso de forma sostenible. Colombia tiene la fortuna de tener una hidrografía abundante y pese a que las normas para la calidad del agua en aguas superficiales ya están rigiendo, una gran cantidad de estos cuerpos de agua continúa siendo deteriorado sin el
cumplimiento de los estándares. Fuentes antropogénicas, a través de vertimientos, afectan no sólo la calidad del agua, sino también la cantidad de agua disponible para la utilización, además del incremento de los costos asociados a la potabilización de la misma. El objetivo de la potabilización es restaurar y rehabilitar el agua de los cauces con el fin de que la porción de ella que es llevada a través de las redes de acueducto a
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los consumidores, sea apta para su consumo. Pero el agua tiene diferentes usos, por ejemplo, puede ser consumida, o puede ser utilizada para riego en plantaciones. En las dos opciones anteriores, el requerimiento del nivel de calidad del agua es distinto. Evidentemente, el agua para consumo humano debe tener un mayor grado de control y debe cumplir con niveles más estrictos de regulación, pues su contacto es directo con el ser humano. De esta manera, las plantas de tratamiento de agua potable y de aguas residuales, deben llevar a cabo procesos que aseguren que la calidad del agua aguas abajo, esté por debajo de los límites establecidos dependiendo de la actividad a la que será destinada. En la modelación de la calidad del agua, a partir de métodos numéricos, y del
conocimiento de la química y física del líquido desarrollado a través de la historia, es posible hacer simulaciones que representan las condiciones reales de los cuerpos de agua. La comprensión de la calidad del agua en aguas superficiales es una herramienta muy útil, ya que permite de cierta manera conocer con buena exactitud las características del fluido en cualquier segmento de su extensión. Al
modelar la calidad del agua de un río, se puede obtener un conocimiento del estado actual, las afectaciones por vertimientos, y las acciones que deben ser tomadas con el fin de recuperar el recurso. Todos los proyectos que requieran de la utilización del recurso hídrico natural, ya sea para extraer o para verter, necesitan de una caracterización de los cuerpos de agua que se utilizarán y la medida en que estos se verán modificados o afectados. Con el fin de realizar simulaciones, se deben tener modelos hidrológicos e hidráulicos y de calidad del agua que representen el comportamiento real de un cauce en una zona dada; se deben tener en cuenta los cambios dinámicos en las diferentes variables y así, establecer una aproximación a la forma de proceder del cauce. En estos, es necesario determinar algunos parámetros que permiten al
modelador llevar a cabo los respectivos cálculos. Estos parámetros son principalmente coeficientes que representan cuantitativamente un proceso físico o químico de algún atributo del agua. Una gran cantidad de los coeficientes simbolizan el decaimiento natural que sufren determinantes del agua a medida que avanzan tanto en el espacio como en el tiempo. En la medida en que mejor sean establecidos estos parámetros, mejor será la estimación realizada por la simulación.
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Un determinante muy importante con respecto a la calidad del agua son los microorganismos existentes en los ríos. Comúnmente las bacterias coliformes totales y fecales son utilizadas como organismo indicador con el fin de determinar los niveles permisibles de contaminación y su cumplimiento. Estas bacterias están presentes en el agua y en los sólidos suspendidos en ella, es decir en los sedimentos. Por otro lado, los ríos tienen la capacidad de autodepuración. Esto quiere decir que pueden mejorar la calidad del agua en la medida en que el agua avanza, pues gracias a procesos naturales como la mortalidad, la radiación solar y la sedimentación, las bacterias tienden a decrecer en su número a medida que aumenta el tiempo de viaje.
Este trabajo centrará su atención en el proceso asociado al decaimiento del número de bacterias en los ríos a partir de la sedimentación, a la adsorción o capacidad que tienen los sólidos suspendidos de atrapar bacterias libres en el agua, realizando de esta manera una purificación natural del sistema. Este es uno de los parámetros que los modelos de calidad del agua requieren para poder
realizar estimaciones acerca del destino y transformación de bacterias coliformes en los ríos. El coeficiente de partición (Kd) representa aquella tendencia de las bacterias a unirse a partículas sólidas, lo cual está asociado al decaimiento de las mismas en el agua y depende únicamente de la relación entre la cantidad de bacterias que se encuentran impregnadas en los sedimentos con respecto a aquellas libres en el agua, y la respectiva concentración de sólidos suspendidos.
Pregunta de investigación
El coeficiente de partición es un parámetro muy importante en un modelo de calidad del agua porque influye en gran medida en el comportamiento que tienen las bacterias en el tiempo. Realizar una buena estimación de este parámetro significa representar la cantidad de bacterias existentes en los ríos y su decaimiento correctamente. Por esto, es necesaria una metodología que permita
la estimación experimental de Kd en aguas superficiales, en donde será posible realizar una cuantificación del mismo, aprovechando que su evaluación depende únicamente de atributos que son medibles en el laboratorio. El objetivo del presente trabajo es proponer una metodología que permita determinar el Kd en aguas superficiales. Esta metodología fue desarrollada a partir
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de la investigación de la teoría involucrada en los procesos de sedimentación y con la información existente acerca de la estimación experimental de este coeficiente en diferentes tipos de cuerpos de agua. A partir de ensayos en ríos, el procedimiento será puesto a prueba a fin de comprobar la efectividad del mismo, ya que existe una gran incertidumbre en las variables que se utilizan. De esta manera, se espera poder realizar una estandarización del procedimiento que sea reconocido científicamente y pueda ser utilizado posteriormente en estudios de modelación de la calidad del agua en cuerpos de agua superficiales.
Justificación
En el año 2008 María Gamboa realizó su proyecto de grado en la Universidad Nacional de Colombia asesorada por el profesor Luis Alejandro Camacho. En su trabajo se propone una metodología para la estimación experimental del coeficiente de partición de bacterias coliformes en agua y sedimentos de ríos. Sin embargo, los resultados obtenidos no fueron satisfactorios ya que en los ensayos realizados no se obtuvo una estimación correcta de Kd. A pesar de lo anterior, el proyecto de grado aborda la teoría necesaria para establecer en cierta medida el estado del arte en este tema. Así, en este proyecto, se pretende continuar con la indagación de la metodología correcta para estimar la realidad del decaimiento de bacterias coliformes en lo concerniente a la sedimentación.
De esta manera, basándose principalmente en el trabajo de María Gamboa, se encuentra que no existe actualmente, un procedimiento que permita la identificación de este parámetro en aguas superficiales. Los estudios son insuficientes para entender el efecto de la adsorción de microorganismos a los sedimentos. En la literatura, sólo se puede encontrar como se realizan pruebas en
aguas subterráneas o en dispersión de contaminantes que no son directamente aplicables para bacterias coliformes en cuerpos de agua superficiales. Además, por falta de conocimiento del proceso de autopurificación, es posible encontrar que, en el pasado, en estudios de modelación de agua, el Kd se mantiene como una variable a calibrar. Es decir que no se ha profundizado en este tema, lo cual puede llegar a significar una falencia en la modelación, pues al mantenerlo como
un valor que se debe graduar dependiendo de mediciones de bacterias coliformes totales en distintos puntos discretos, puede que no se establezca de manera correcta el decaimiento de bacterias coliformes y se llegue a resultados que se
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alejan de las condiciones reales existentes. Obtener el coeficiente de partición, a partir de ensayos experimentales, permite un análisis más exacto de los procesos que ocurren en la realidad y hace que se tenga un mejor entendimiento de las interacciones que ocurren entre las bacterias coliformes, el agua, los sedimentos y el ambiente que los rodea (Gamboa Medina, 2008). Al desarrollar una metodología que estime el coeficiente de partición en aguas superficiales, se contribuye a que cada vez se emplee la modelación computacional de mejor forma, pues las estimaciones se realizarán no sólo con mayor exactitud, sino que contarán también con una mayor base teórica. Esta teoría se refiere a que la determinación del fenómeno de decaimiento se llevó a
cabo por medio de procesos físicos y químicos. Así, en estudios futuros la evaluación de la cantidad de bacterias coliformes será mejor representada, lo cual denota un aporte significativo a la modelación ambiental y a la salud pública en sí, puesto que caracterizar acertadamente estos procesos, ayuda a la sociedad a tomar mejores medidas de utilización y potabilización del agua que beneficien a la
población, por medio de la reducción de la incertidumbre en los modelos.
Metodología
La metodología para estandarizar el procedimiento para la estimación del
coeficiente de partición de bacterias coliformes en aguas superficiales se divide en dos componentes. El primero, es la metodología desarrollada en sí para la estimación de Kd y el segundo, su aplicación en cuerpos de agua que permita comprobar su efectividad. En cuanto a la metodología propuesta, la identificación del coeficiente de partición
depende principalmente de tres atributos: la concentración de sólidos suspendidos totales, la cantidad de bacterias que se encuentran libres en el agua y la cantidad de bacterias contenidas en los sólidos suspendidos. De esta manera se requiere tomar dos muestras de agua distintas en el cauce, una para los sólidos suspendidos y una para los coliformes totales. Luego de trasladar al laboratorio las muestras, la metodología para la determinación de los sólidos suspendidos fue la
estándar y es aplicada a la muestra original de agua, sin ninguna modificación, con el fin de cuantificar los sólidos suspendidos totales. Por otro lado, el procedimiento escogido para la determinación de las bacterias coliformes totales
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fue el de filtración por membrana. Pero esta prueba, además de hacerse directamente a la muestra de agua obtenida en el cauce, también se realizará independientemente a los dos componentes del agua. Para lo anterior, primero es necesario a través de una máquina centrifuga, separar los sólidos suspendidos del agua. Luego, con los componentes separados en recipientes distintos, a aquel que contiene los sedimentos, se agrega una solución acuosa que tenga la capacidad de atrapar las bacterias existentes en los mismos. Posteriormente, por medio de la metodología de filtración por membrana, se realizan pruebas de coliformes totales, tanto al agua centrifugada sin sólidos suspendidos, como a la solución acuosa agregada a los sedimentos y de esta
manera encontrar la cantidad de bacterias coliformes libres en el agua y la cantidad de bacterias atrapadas en los sedimentos. Ya con los tres atributos mencionados previamente, cuantificados, es posible determinar el coeficiente de partición de bacterias coliformes en cuerpos de agua superficiales por medio de una operación matemática simple.
Teniendo la metodología definida se procedió a verificar su validez. Se realizaron dos campañas a la cuenca alta del río Bogotá, y en cada una dos sitios de medición: en Puente Vargas y en el Puente del Común. En ambos lugares se llevó el equipo necesario para tomar los determinantes principales del agua: temperatura, Ph, conductividad, y oxígeno disuelto. También se llevaron recipientes para la toma de muestras de coliformes totales y sólidos suspendidos totales. Para la toma de las muestras de agua, se utilizó un muestreador especial que logra alcanzar la máxima profundidad del río y de esta forma, tomar muestras representativas de toda la sección transversal. A continuación, se trasladaron las muestras al laboratorio de la Universidad de los Andes en donde se procedió a aplicar la metodología propuesta, descrita previamente.
Resultados Principales
En este trabajo la calidad de los resultados obtenidos se puede analizar en dos elementos distintos. El primero es evaluar si los coliformes totales encontrados en
el agua, son efectivamente bien separados en la centrifugación, y la suma de los coliformes encontrados en el agua sin sólidos suspendidos con los encontrados en los sedimentos representa la totalidad de estos. Por otro lado, el segundo
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elemento es la estimación de Kd en sí, y la respectiva comparación entre los valores encontrados en las dos campañas realizadas, además de su similitud con valores reportados en la literatura, de este coeficiente, en dispersión de contaminantes. Al aplicar la metodología propuesta, se logró estimar el coeficiente de partición en ambos sitios de medición en ambas campañas. Es importante mencionar que los resultados obtenidos en cuanto a los coliformes totales en las dos diferentes campañas, es decir en diferentes días de medición, varían significativamente. En la primera campaña se encontraron valores entre 550000 y 650000 UFC/100ml en ambos sitios y en la segunda un rango de valores entre 150000 y 250000
UFC/100ml, también en ambos lugares. Se podría establecer que la causa de esto es que en los determinantes del agua medidos (temperatura, conductividad, oxígeno disuelto, Ph) en las distintas campañas, se encontraron diferencias marcadas. Es decir, las condiciones de medición fueron distintas. Lo recomendable habría sido que las características fueran similares con el fin de
poderlas comparar con un mayor grado de profundidad. También puede que estas discrepancias se dieran debido al tiempo transcurrido desde la toma de muestra hasta la realización de las pruebas de coliformes totales. Al realizar la comparación de las pruebas de coliformes totales realizadas al agua del río con aquellas realizadas al agua centrifugada y a sus respectivos sedimentos, se pudo encontrar que, en general, la división de bacterias coliformes ocurre adecuadamente. De las cuatro muestras de agua recogidas, en dos se encontró una diferencia dentro del 10% del valor de coliformes totales en el agua original, una dentro del 20% y otra, muy alejada, con el 45%. Aunque estos porcentajes de error luzcan aparentemente de gran magnitud, se recuerda que la incertidumbre que tienen las pruebas asociadas a bacterias coliformes es muy alta
y depende de la probabilidad de que los 100ml de muestra a los que se le realizan las pruebas de filtración por membrana, representen en buena medida la totalidad de la muestra. De hecho, los diferentes porcentajes de “error” obtenidos, muestran la dificultad e incertidumbre que está asociada a este tipo de ensayos y muestra la necesidad de realizar procedimientos evitando al máximo la contaminación externa de las muestras de agua. Por otro lado, en cuanto a la estimación del coeficiente de partición, se encontraron valores entre 0.15-0.2 m3/g los cuales representan una adsorción
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mayor con respecto a diferentes tipos de químicos como metales pesados. Diferenciando entre los dos sitios de medición, se encontró que para el sitio 1 (Puente Vargas) se tienen valores de 0.158 m3/g en la primera campaña y 0.161 m3/g en la segunda campaña lo cual representa una variación del 1.41% y para el sitio 2 (Puente del Común) valores de 0.182 m3/g y 0.197 m3/g lo cual tiene una diferencia del 8.19%. Esto indica que, aunque la estimación del coeficiente se realizó en diferentes días y en condiciones cambiantes, se encontraron valores que fueron relativamente similares entre sí, lo que comprueba que la metodología propuesta tiene en términos generales buena efectividad y justifica su aplicación para realizar la estimación experimental del coeficiente de partición en aguas superficiales.
Resumen de contenido
El presente trabajo está divido en 6 capítulos que permiten obtener una comprensión total del proyecto realizado. Se abarca toda la información necesaria para poder entender completamente el propósito de este y su entendimiento. En el capítulo 1 se puede encontrar una introducción del trabajo. Los aspectos generales a tener en cuenta, los objetivos de la investigación y su respectiva justificación. Además se presenta brevemente la metodología para realizar la
estimación de Kd y su aplicación en el río Bogotá. Se muestran los principales resultados obtenidos y algunas conclusiones pertinentes. En el capítulo 2 se busca realizar una revisión del estado del arte del coeficiente de partición de bacterias coliformes. Se realiza una descripción detallada de los procesos que afectan el decaimiento de bacterias y se muestran las ecuaciones
relacionadas a su cuantificación. También se presenta la información pertinente en el trabajo de María Gamboa, como aquellos modelos utilizados para realizar estimaciones de la dinámica de las bacterias y su adsorción a los sedimentos. La metodología propuesta para la estimación del coeficiente de partición en cuerpos de agua superficial se presenta en el capítulo 3. Se realiza una
descripción detallada desde el momento de la escogencia del sitio de medición y la toma de muestras, hasta los procedimientos desarrollados en el laboratorio.
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El capítulo 4 muestra la aplicación de la metodología propuesta al caso de estudio del río Bogotá. Se realiza una descripción del tramo comprendido entre Puente Vargas y el Puente del Común, y una caracterización de los sitios de medición. Los resultados obtenidos en la aplicación de la metodología se presentan en el capítulo 5. Se muestra la efectividad de la metodología por medio de la obtención del coeficiente de partición y la adecuada separación de la cantidad de bacterias presentes en los sedimentos de aquellas en el agua sin sólidos. Por último en el capítulo 6 se realiza una terminación del trabajo identificando las principales conclusiones y recomendaciones obtenidas.
Capítulo 2: Revisión del estado del arte
Antes de mencionar y aplicar la metodología propuesta para la estimación de Kd,
es importante efectuar una revisión a la teoría en la que se basa este procedimiento. Se realizará la definición y descripción del coeficiente de distribución de bacterias coliformes a partir de los procesos que influyen en el decaimiento total de los organismos indicadores utilizados. También, como este trabajo constituye una continuación de la investigación hecha por María Gamboa acerca de la estimación de Kd, se mostrará la información presentada en ese proyecto que resulta pertinente para el desarrollo del presente trabajo. A partir de lo anterior se efectúa una revisión de las siguientes temáticas: factores que influyen en el decaimiento y modelos que permiten la utilización del coeficiente de partición para realizar estimaciones de la cantidad de bacterias coliformes.
Organismos indicadores
Durante las últimas décadas con el fin de poder realizar una cuantificación del nivel de contaminación existente y permisible en cuerpos de agua, se han utilizado lo que se denomina organismos indicadores. Estos organismos permiten evidenciar la presencia de patógenos en el agua, ya que al determinar la cantidad de organismos indicadores, se infiere la presencia en menor cantidad, de microorganismos perjudícales para la salud humana. Los organismos indicadores deben cumplir con ciertas características que aseguren la anterior condición. Estas son principalmente: mayor presencia que organismos patógenos, existencia
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elevada en residuos fecales, facilidad de detección en métodos de laboratorio, mayor supervivencia y resistencia que organismos patógenos, y renuencia a la inhibición del crecimiento por otras especies (Gamboa Medina, 2008). Los principales organismos indicadores utilizados son las bacterias coliformes totales (CT) y las bacterias coliformes fecales (CF). Los coliformes totales estás compuestos por aquellos que tienen un efecto perjudicial en el ser humano (patógenas) y por aquellas que no representan un peligro para la salud, inclusive en los coliformes fecales, existen bacterias que no tienen efectos nocivos. Por esto es posible establecer que si la cantidad de CT que se encuentran en un cuerpo de agua se encuentra dentro de los niveles permitidos por las agencias reguladoras,
también lo hará la cantidad de bacterias patógenas. Es importante mencionar que existen excepciones, y hay una reducida probabilidad de que la ausencia de CT represente la inexistencia total de organismos patógenos. En cuanto a los CF, el indicador más utilizado es la Escherichia coli (E. coli) pues esta representa con gran certeza la presencia de organismos provenientes de origen fecal.
Decaimiento de bacterias coliformes en aguas superf iciales
El descenso de organismos coliformes en cuerpos de agua puede ser representada por una tasa de decaimiento total (Kb’) que está compuesta por tres
elementos: el decrecimiento asociado a la mortalidad natural y a la salinidad (Kb1), el decaimiento asociado al efecto de la luz y la radicación (Kbi) y la tasa asociada al detrimento de coliformes debidos a la sedimentación (kbs). Así la tasa total de decaimiento se puede representar por medio de la siguiente fórmula (Chapra, 1997):
��� = ��� + ��� + �� (1)
donde Kb’ = tasa total de decaimiento (d-1)
Kb1 = tasa decaimiento por mortalidad y salinidad (d-1) Kbi = tasa de decaimiento por radiación solar (d-1) Kbs = tasa de decaimiento por sedimentación (d-1)
A continuación se realizará la descripción individual de cada uno de los componentes de la ecuación 1 y su forma de cuantificación.
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La tasa de decaimiento por mortalidad y salinidad está se puede calcular a partir de la siguiente ecuación suponiendo que la salinidad del agua de mar es aproximadamente 30-35 ppt (Thomann & Mueller, 1987) (Mancini, 1978):
��� = 0.8 + 0.02 ∗ �� ∗ 1.07���� (2)
donde S = salinidad (ppt o g/L)
T = temperatura (°C)
En cuanto a la radiación solar, la tasa decremento de bacterias puede ser
cuantificada a partir de la siguiente expresión (Thomann & Mueller, 1987) (Chapra, 1997):
��� = �∗����∗� ∗ 1 − ����∗�� (3)
donde α = constante de proporcionalidad (generalmente =1)
! = energía de luz en la superficie por unidad de tiempo (ly/hr)
Ke = coeficiente de extinción de luz (m-1)
H = profundidad cuerpo agua superficial (m)
En la anterior expresión el coeficiente de extinción de luz se puede estimar a partir de una de las dos siguientes maneras (Di Toro, O´Connor, Thomann, & St. John, 1981):
�� = 1.8�" 4��� = 0.55 ∗ &5�
donde SD = disco secchi (m)
m = concentración sólidos suspendidos (mg/L)
Antes de presentar la ecuación que representa el decaimiento asociado a la sedimentación, se realizará un análisis detallado del mismo, pues este parámetro es el que se pretende estimar a partir de este trabajo.
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Descripción detallada decaimiento por sedimentación
Primero se debe establecer que la cantidad total de bacterias presentes en el agua se pueden dividir en dos componentes: la cantidad total de bacterias libres en el agua y la porción de ellas unidas a las partículas sólidas (Chapra, 1997).
' = '( +') (6)
Donde N = cantidad total de bacterias (número/100ml)
Nw = cantidad de bacterias libres en el agua (número/100ml)
Np = cantidad de bacterias atrapadas en los sólidos suspendidos (número/100ml)
Continuando con la descripción de los elementos, Np puede ser representado de la siguiente manera (Chapra, 1997):
'* = 10�+ ∗ , ∗ & (7)
Donde r = concentración específica de bacterias por unidad de masa (número/g)
La constante 10-4 se incluye para cancelar las unidades de masa y dejar las unidades de
Np sobre 100 ml.
La siguiente variable a representar es el coeficiente de partición (Kd) que es aquella tendencia que tienen las bacterias a estar unidas a las partículas sólidas. Es una tasa que depende principalmente de la relación de la cantidad de bacterias
presentes en los sedimentos con respecto a aquellas libres en el agua. (Chapra, 1997)
�- = 10�+ ∗ ./0
(8)
Donde Kd = coeficiente de partición de bacterias (m3/g)
A partir de las ecuaciones 7 y 8, se puede encontrar una expresión para el Kd que depende de atributos medibles en el laboratorio a partir de procedimientos
estandarizados. La fórmula indicada es la siguiente:
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�- = /1/0∗2 (9)
Está última ecuación mostrada será la utilizada para estimar el coeficiente de partición a partir de la metodología propuesta.
Análogamente se presenta la ecuación de Kd, que también puede ser entendido como: “la relación existente entre la concentración de bacterias coliformes atrapadas en los sedimentos, y la concentración de dichas bacterias que quedan
libres en el agua”, en la siguiente expresión (Gamboa Medina, 2008):
�- =3!45647.859ó4;6<8576.98=87.8)8;8=)!.>49;8;;628=8;6=6;92647!?
@úB�C�DEEBF G
HI
3!45647.859ó4;6<8576.98=J9<.6=)!.>49;8;;6K!J>264JíM>9;!?@úB�C�DEEBF G
2JI (10)
Por último es importante mostrar que a partir de Kd, se pueden establecer tanto la fracción de bacterias unidas a los sedimentos como la fracción de ellas libres en el agua. Esto se demuestra en las dos siguientes ecuaciones (Chapra, 1997):
NO = ��P�;∗2 (11) N* = �;∗2
�P�;∗2 (12)
Donde Fw = fracción de bacterias libres en el agua
Fp = fracción de bacterias en los sólidos suspendidos
Estas fracciones pueden ser mejor entendidas a partir de las siguientes expresiones que las relacionan con la cantidad total de las bacterias presentes en el agua (Chapra, 1997):
N* = /)/ (13) NO = /(
/ (14)
Teniendo el decaimiento de bacterias por sedimentación caracterizado, y retomando la descripción del decaimiento total de bacterias en las páginas 12 y 13, se presenta la cuantificación del término de la tasa de decrecimiento de
bacterias asociadas a la sedimentación (Chapra, 1997):
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�� = N) ∗ QR� (15)
Donde Vs = velocidad de sedimentación de las partículas (m/día)
Así, teniendo descrito cada uno de los componentes que están asociados al decaimiento total de bacterias, se desarrolla con mayor profundidad la ecuación 1 obteniendo la siguiente ecuación final (Chapra, 1997):
��� = 0.8 + 0.02 ∗ �� ∗ 1.07���� + �∗����∗� ∗ 1 − ����∗�� + N) ∗ QR
� (16)
Proyecto de grado María Gamboa
Factores que influyen en las tasas de decaimiento d e bacterias
coliformes
Previamente fue enunciado que la tasa de decaimiento de bacterias depende únicamente de tres factores: la mortalidad natural de las bacterias, la influencia de la luz solar por medio de la radiación y los efectos causados por la sedimentación.
Pero esto no representa en su totalidad la complejidad que está asociada a este tema. Una gran cantidad de determinantes y reacciones también modificarán tanto la magnitud total de la cantidad de bacterias coliformes presentes en un cuerpo de agua, como su respectivo decrecimiento o crecimiento. Estos factores se pueden clasificar en tres categorías distintas: físicos, fisicoquímicos y bioquímicos-biológicos. En la categoría de factores físicos las características que se asocian a la dinámica de las bacterias presentes en cuerpos de agua natural son: temperatura, adsorción, sedimentación, resuspensión, floculación, coagulación, y la foto-oxidación. En general para este proyecto, estos factores son los que tienen mayor importancia e influyen en mayor medida en el funcionamiento de los
microorganismos en el tiempo y en el espacio. Esto sin olvidar que también existen las otras dos categorías que incrementan la incertidumbre que se tiene en
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esta temática y los resultados que se obtengan representan solamente una estimación de la realidad y no lo que ocurre perfectamente en ella. La segunda categoría es aquella con los factores fisicoquímicos. En esta se encuentran los determinantes: Ph, efectos osmóticos, toxicidad química, y potencial redox. En el presente trabajo se realizó la medición del Ph y se tendrá en cuenta como un determinante que modifica la cantidad de bacterias aunque este no sea un factor físico. Por último en la tercera categoría se encuentran los agentes bioquímicos-biológicos que son transigentes en la modelación de las bacterias coliformes. Estos son: los niveles de nutrientes, y la presencia de sustancias orgánicas, organismos predadores, bacteriófagos, virus, algas, y
materia fecal. Aunque en esta última categoría haya determinantes importantes, su medición es de elevada dificultad y se sale del alcance de este proyecto. Sin embargo se tendrá una cuantificación de la materia fecal a partir de la bacteria E.coli (Bowie et al, 1985).
Es importante mencionar ninguno de los determinantes del agua mencionados en las tres categorías, es independiente. Todos los factores que influencian la cantidad de organismos dependen en cierta medida de los otros y se ven influenciados por su comportamiento. Esto implica dos cosas, la primera es que la complejidad y variabilidad es muy alta, lo cual representa una incertidumbre significativa cuando se trabaja con microorganismos y lo anterior justifica la segunda, que realizar una simplificación de la modelación del decaimiento sea apropiada a falta de un conocimiento más detallado de cada una de las variables que influyen en su cuantificación.
Modelos para la aplicación de Kd
En la literatura, además del modelo de cinética de primer orden, no existen modelos que sean aplicados directamente a bacterias coliformes. Sin embargo, se pueden encontrar diferentes modelos que son aplicados a la adsorción a las partículas sólidas de diferentes tipos de elementos que son normalmente considerados contaminantes en el agua. Entre ellos se pueden encontrar modelos
isotermos, paramétricos, y mecanicistas. Para este trabajo se realizará una breve descripción de dos tipos de modelos que requieren del coeficiente de partición cuantificado para poder establecer el comportamiento de las bacterias en el
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tiempo. Los dos tipos se diferencian principalmente en la complejidad de los mismos y de las variables que tienen en cuenta para realizar la modelación (Gamboa Medina, 2008). De esta manera, se detallará el modelo simple de cinética de primer orden y tres diferentes modelos isotermos de mayor complejidad. Esto debido a que son los de mayor aplicabilidad a bacterias coliformes y son los más utilizados en la actualidad. Estos modelos requieren de una tasa de decaimiento de bacterias la cual es la misma mostrada en la ecuación 1, que representa el decaimiento total de las bacterias coliformes (Kb’). Es importante mencionar que como se especificó anteriormente, Kb’ está directamente relacionada con el Kd, y por esto se precisa de una metodología para su obtención.
Por otro lado se menciona que existen diferentes formas de estimar la concentración de bacterias en puntos discretos a partir de la caracterización de todas las variables que interactúan en el agua y los sedimentos. Una de estas posibilidades es a partir de balances de masa tanto en los sedimentos como en el
agua y su resolución en estado estable. Modelo de primer orden Al aplicar el modelo de primer orden a las bacterias coliformes, se hace una simplificación significativa, y su aplicación sólo depende de la concentración inicial de bacterias en un punto dado y de la tasa de decaimiento de las mismas de la siguiente manera (Gamboa Medina, 2008):
;3;7 =−� ∗ S (17) T7 = T! ∗ ��U<V∗7 (18)
Donde C = concentración de bacterias coliformes (número/100ml)
Ct = concentración de bacterias coliformes en el tiempo t (número/100ml) Co = concentración inicial de bacterias coliformes (número/100ml)
k = tasa de decaimiento (d-1)
kb’ = tasa total de decaimiento de bacterias coliformes (ecuación 1)
t = tiempo transcurrido (días)
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Modelos isotermos Este tipo de modelos cuentan con un mejor entendimiento de lo que ocurre en las interacciones entre las bacterias y los sedimentos e incluyen diferentes parámetros que intervienen en el decaimiento. En general tienen en cuenta variables como el nivel de saturación de bacterias en los sedimentos, la concentración de sólidos suspendidos y la concentración mínima a la que el sedimento empieza a adsorber. Es importante mencionar que al ser isotermos, tienen la limitación de considerar la temperatura con un valor constante (Enviromental Protection Agency , 1999). Modelo de Langmuir
El modelo de adsorción de Langmuir fue desarrollado inicialmente para describir el proceso de adsorción de moléculas de gas en superficies sólidas homogéneas. El modelo se presenta a continuación (Enviromental Protection Agency , 1999):
W� = �X∗YB∗3Z
�P�F∗ 3Z (19)
Donde Ai = cantidad de sustancia adsorbida por unidad de masa sólida
KL= constante de adsorción de Langmuir
Am = máxima capacidad de adsorción del sólido
Ci = concentración en equilibrio de las sustancia que se adsorbe
Modelo de Freundlich
W� = �\ ∗ T9/ (20)
Donde Kf = constante de adsorción de Freundlich
N = constante
20
Modelo de Dubinin-Radushkevich
W� = W2 ∗ ���]^∗_` (21)
Donde KDR = constante de adsorción de Dubinin-Radushkevich
ϵ = R*T* ln(1+1/Ci)
R = constante de los gases
T = temperatura (°K)
A partir de modificaciones en los anteriores modelos es posible adaptarlos a bacterias coliformes. Aquellas constantes de adsorción de cada modelo están asociadas al coeficiente de partición pues representan la velocidad o tasa a la que las sustancias se adsorben y desadsorben de las partículas sólidas. También, a partir de los sólidos suspendidos y un volumen de muestra, el término Ai se puede modificar para representar la cantidad de las bacterias que son adsorbidas por los sedimentos. Por otro lado el término Am, es la variable más difícil de obtener y se sale del alcance de este proyecto, ya que para cuantificarlo es requerido un análisis más detallado de los sedimentos para poder encontrar la máxima capacidad de adsorción.
Teniendo en cuenta lo anterior, estos modelos no serán aplicados en este trabajo por la falta de una identificación más detallada del agua muestreada y sus sedimentos. Además, se pretende que la metodología propuesta para la estimación de Kd sea simple, y pueda ser aplicada sin dificultad. Al utilizar estos modelos, la metodología empieza a tener mayor complejidad al tener que realizar una caracterización cada vez más exhaustiva. A pesar de lo anterior es importante tener en cuenta la existencia de estos diferentes modelos que permiten realizar estimaciones con mayor grado de exactitud en el tema de la adsorción de bacterias coliformes a los sólidos suspendidos.
Capítulo 3. Procedimiento experimental propuesto pa ra la
estimación del coeficiente de partición
La técnica propuesta para la identificación experimental del coeficiente de partición se basa en los procesos de sedimentación descritos por Steven Chapra en su libro Surface Water-Quality Modeling. En este, se indica que la presencia total de
21
microorganismos en un cuerpo de agua superficial, se divide en dos componentes: aquellos unidos a los sólidos suspendidos y aquellos que flotan libres en el agua como se muestra en la ecuación 6. Chapra menciona que la sedimentación dependerá principalmente en la proporción en la que coexisten los microorganismos en los dos elementos mencionados. De esta manera, el coeficiente de partición se presenta como la tendencia que tienen las bacterias a estar atrapadas por las partículas sólidas dependiendo de la relación, sedimento-agua, de la cantidad de bacterias coliformes. Sin embargo, esta probabilidad también se ve influenciada por la cantidad de sólidos suspendidos en el agua, ya que la concentración de bacterias se da, en los sedimentos por unidad de masa, y en el agua por unidad de volumen como se observa en la ecuación 10. Así, la
magnitud total de sólidos suspendidos afectará la relación de la cantidad de bacterias y la posibilidad de que las mismas estén adsorbidas en los sedimentos.
Teniendo en cuenta lo anterior, se desarrolló una metodología de laboratorio que
permite a través de la cuantificación de los tres atributos esenciales, la cantidad de bacterias coliformes en los sólidos suspendidos, la cantidad de bacterias coliformes libres en el agua y la concentración total de sólidos suspendidos, estimar el coeficiente de partición a partir de la ecuación 9.
De esta manera, la metodología propuesta se basa principalmente en la capacidad de separar de manera adecuada los sólidos del agua, y que al mismo tiempo las bacterias permanezcan en su contenedor original. Es decir que cuando se realiza la disociación, la relación entre la cantidad de bacterias atrapadas a los sedimentos y la cantidad de bacterias libres en el agua, no se vea modificada con respecto a la relación de las mismas en el agua inicial, antes de la división.
A continuación se presentará el procedimiento propuesto desde la toma de las muestras de agua y la selección del sitio de medición hasta el desarrollo de procedimientos en el laboratorio y la obtención del coeficiente de partición para
bacterias coliformes.
Toma de muestras
El objetivo de este proyecto es la estimación de Kd en cuerpos de agua superficiales, principalmente en ríos y cauces de menor tamaño, como quebradas.
22
De esta manera, los sitios de medición deben estar ubicados a lo largo del recorrido del cauce y deben cumplir con algunos requerimientos. El más importante es que en el punto escogido para la medición, se tenga la seguridad de la existencia de bacterias coliformes en el agua, pues si se escoge un lugar en donde el agua es potable, es posible que cuando se realicen las pruebas de coliformes totales, estos no se puedan cuantificar, no sólo por la baja presencia de
microorganismos, sino porque en la medida en que la calidad del agua sea mejor, mayor volumen de muestra es requerido. Comúnmente, este volumen de muestra es limitado por la dificultad que existe en el transporte de la misma y por la capacidad de los recipientes normalmente utilizados. El hecho de recoger un volumen relativamente alto representa complicaciones a la hora de realizar las campañas de toma de muestras y puede resultar impráctico. Otro factor importante para la escogencia del lugar de medición, es la facilidad con la que se pueden realizar los muestreos. Lo más indicado es que exista algún tipo de puente que cruce de un lado a otro el cauce en donde se tomarán las muestras, pues siempre se debe evitar al máximo el contacto directo con el agua, y lo anterior, en mayor medida, si se espera que haya bacterias coliformes perjudiciales para la
salud. Sin embargo, si la profundidad del cauce es baja, es factible la realización de muestreos entrando al río y tomando todas las precauciones de seguridad necesarias. En cuanto a la toma de muestras, para la metodología propuesta, se requiere que en los sitios de medición se tomen dos muestras distintas de agua, una para los sólidos suspendidos y una para los coliformes totales. Pero las muestras de agua deben ser representativas de toda la sección transversal del cauce. Para lograr esto se debe realizar el siguiente procedimiento a continuación.
Imagen 1. Técnica para toma de muestras
23
Primero para la toma de la muestra de sólidos suspendidos totales se deberá recoger agua en tres verticales, A, B y C como se muestra en la imagen 1 encontradas a las longitudes mostradas, donde L representa el ancho total del cauce. En un mismo recipiente se debe combinar el agua obtenida en cuanto al volumen de la siguiente manera: ¼ del volumen del agua se obtiene en la vertical A, ½ en la vertical B, y ¼ en la vertical C. De esta manera se asegura que la muestra obtenida representa en buena medida la totalidad del agua que fluye por el cauce. A esta cantidad de agua (combinada) se le debe hallar la temperatura, el Ph, y la conductividad, además de recoger la muestra de agua para la prueba de sólidos suspendidos.
La muestra de agua que se llevará al laboratorio para la prueba de coliformes totales se obtiene a partir de la vertical B. Se realiza un muestreo a lo largo de toda la vertical, no debe ser sólo superficialmente ya que a mayor profundidad, mayor es la cantidad de bacterias coliformes. Se debe recolectar al menos un litro
de agua del cauce y trasvasarlo a un recipiente esterilizado con la menor exposición posible con el fin de evitar una contaminación externa. A esta muestra obtenida en la mitad de la sección, se le debe caracterizar el oxígeno disuelto. Teniendo las muestras de agua en los recipientes esterilizados, se deben trasladar al laboratorio en el menor tiempo posible. Las muestras deben ir refrigeradas por medio de neveras portátiles a las que se les adiciona hielo con el fin de mantener al máximo las condiciones exactas en la toma de muestra. Al mantener las muestras a bajas temperaturas, se detienen los procesos de decaimiento de bacterias y se mantienen las características similares al cauce.
Procedimiento de laboratorio
Al llegar al laboratorio, las muestras deben ser ubicadas inmediatamente en refrigeración estable, no se deben conservar demasiado tiempo en las neveras temporales. A partir del momento de toma de muestra, la prueba de sólidos suspendidos se puede realizar en un límite de tiempo máximo de 7 días, mientras
que el ensayo de coliformes totales sólo dentro de un periodo de 24 horas. Por lo anterior se recomienda que todos los implementos para realizar la última prueba mencionada estén listos el mismo día de la toma de muestras.
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En cuanto a la prueba de sólidos suspendidos, se debe aplicar la metodología estándar para su obtención. Se realizará sobre la muestra de agua destinada para ese fin y no difiere en esta metodología propuesta, en ninguna manera con respecto a otros ensayos de sólidos suspendidos totales. A diferencia de los SST, para la prueba de coliformes totales se debe realizar un procedimiento previo antes de realizar las pruebas de filtración por membrana. Primero, se debe traspasar una cantidad significativa de agua a otro recipiente al de la toma de muestra, al menos 200 ml. El agua restante debe ser transportada hacia una maquina centrifuga con una capacidad de volumen suficiente.
Normalmente, este tipo de máquinas tienen sus respectivos envases para realizar una centrifugación, es decir que el agua debe ser trasvasada a estos. Es importante mencionar que todos los recipientes que se utilicen para contener las muestras de agua de coliformes totales deben estar esterilizados, en la medida en que las muestras no sean contaminadas, mejor serán los resultados obtenidos. La
efectividad de la metodología propuesta reside esencialmente en el manejo de las muestras y de la no alteración de la cantidad de bacterias presentes en las mismas. Se debe centrifugar como mínimo 100ml del agua de la muestra de bacterias coliformes. En la centrifugación se debe tener especial cuidado, pues en la misma, además de separar los sólidos del líquido, se debe garantizar que no exista desprendimiento de bacterias. Esto se logra por medio de una centrifugación que tenga una magnitud suficiente de revoluciones por minuto para separar los componentes, pero no demasiado elevada que cause que la proporción, sedimento-agua, de cantidad de bacterias se vea modificada. Por medio del conocimiento de los trabajadores del laboratorio y su experiencia en la utilización
de la máquina, se estableció que la centrifugación se realizara a 8000 RPM durante un periodo de tiempo de 10 minutos. Con estas características, es posible disociar los sedimentos sin alterar las condiciones iniciales de las bacterias. Luego de efectuar la centrifugación, en las paredes de los recipientes utilizados, se puede observar como los sedimentos fueron efectivamente apartados del agua. En la imagen x se muestra el resultado final de la centrifugación. Luego cuidadosamente, sin movimientos violentos, el agua libre de sedimentos se transfiere a otro recipiente (también estéril).
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Posteriormente en aquel recipiente que tiene los sedimentos, se agrega un volumen de una solución acuosa buffer igual al del agua extraída del recipiente utilizado, en este trabajo se utilizó peptona al 0.1% (Gamboa Medina, 2008). Luego se debe mezclar al menos 10 minutos con el fin de que los sólidos se diluyan en la solución y las bacterias coliformes presentes en los mismos se adhieran a ella. En resumen, luego de realizar el procedimiento explicado previamente, se deben tener tres recipientes con diferentes componentes. El primero contiene una muestra del agua original tomada del cauce, el segundo agua centrifugada sin
sólidos suspendidos, y el tercero los sedimentos diluidos en una solución acuosa. En este momento se realizan las pruebas de coliformes totales. Se ejecutan ensayos de cuantificación de bacterias a los tres diferentes líquidos que se tienen La metodología utilizada en este proyecto fue la de filtración por membrana y se utilizó ColiBlue como el medio de cultivo.
De esta manera a partir de las pruebas de coliformes totales realizadas, se obtienen resultados de las bacterias totales en el agua de la muestra (N), aquellas libres en el agua (Nw), y la cantidad de bacterias coliformes atrapadas en los sedimentos (Np). Teniendo estas variables cuantificadas es posible por medio de la ecuación 1, corroborar que la disgregación de las bacterias fue realizada efectivamente, y por medio de la ecuación 9, estimar el coeficiente de partición para bacterias coliformes en cuerpos de agua superficial. El éxito de esta metodología propuesta radica en una buena manipulación de las muestras. No se debe permitir que en ningún recipiente utilizado exista la posibilidad de que el agua se infecte de microorganismos diferentes a aquellos
presentes en la muestra de agua. Entre mayor sea el grado de cuidado que se tenga con respecto a este tema, mejores serán los resultados.
Capítulo 4. Aplicación de la metodología en el río Bogotá
Sitios de medición
A fin de comprobar la efectividad de la metodología descrita en el capítulo 3, se realizaron dos campañas al río Bogotá. En ambas se utilizaron dos sitios de
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medición, los cuales cumplen con las características necesarias para poder aplicar la metodología. En ambos lugares existe una presencia de bacterias coliformes elevada, y tienen un puente que permite fácilmente la obtención de las muestras de agua. Los dos lugares de medición son Puente Vargas, y el Puente del Común, ambos ubicados en la cuenca alta del río Bogotá. Entre ambos puntos hay una distancia aproximada de 13 km y no existe ningún vertimiento directo de fuentes
naturales, pero si pueden existir fuentes difusas. Ambos puntos se localizan a las afueras del norte de Bogotá. Este tramo presenta las siguientes características:
Tabla 1. Características generales tramo del río Bo gotá Puente Vargas-Puente del Común (Cantor Monroy, 2010)
En la siguiente imagen se muestra el tramo entre estos dos puntos de medición:
“Son 13075 metros de longitud, no existe ningún afluente intermedio y conserva una sinuosidad moderada” (Cantor Monroy, 2010)
Imagen 2. Tramo del río Bogotá c omprendido entre Puente Vargas y el Puente del Comú n (Cantor Monroy, 2010)
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Puente Vargas
En este sitio de medición hay una estación limnigráfica. Está ubicado aproximadamente en el k113+223 desde el inicio del río Bogotá en su punto más al norte de la cuenca alta y tiene las coordenadas 1035984 norte y 1007790 este (EAAB-Unversidad Nacional de Colombia, 2010). Se presentan algunas mediciones de determinantes de la calidad del agua en un
estudio realizado por la empresa de acueducto y alcantarillado en conjunto con la Universidad Nacional de Colombia en el año 2010. Tabla 2. Determinantes de la calidad del agua en Pu ente Vargas (EAAB-Unversidad Nacional de Colombia, 2010)
Fecha
Hora
Sólidos
Suspendidos
Totales (mg/L)
E. Coli (UFC/100 ml) Coliformes Totales
(UFC/100 ml)
Temp Cond pH O.D. T°C
Campaña °C mS/cm - mg/L Amb
08/06/2009
08:20 15.00 20000.00 80000.00 19.50 282.00 7.76 2.08 16.60
16:50 21.00 20000.00 70000.00 18.00 547.00 7.62 1.83 16.70
17:40 20.00 20000.00 80000.00 18.80 519.00 7.45 1.64 12.50
24/08/2009
17:50 62.00 87000.00 390000.00 19.75 551.00 7.51 1.23 15.70
18:20 32.00 63000.00 380000.00 19.65 525.00 7.50 1.22 15.40
18:40 49.00 78000.00 330000.00 19.60 497.00 7.47 1.56 14.60
(-)
13:30 46.00 44000.00 73000.00 21.60 346.00 7.60 1.39 19.10
14:30 30.00 41000.00 79000.00 21.00 302.00 7.56 1.40 12.70
15:50 28.00 45000.00 110000.00 21.50 380.00 7.52 1.23 15.60
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En las siguientes imágenes se muestra su ubicación y detalle:
Imagen 4. Sitio de medición Puente Vargas
Imagen 3. Ubicación especial estación Puente V argas en Google Earth
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Puente del Común
Está ubicado aproximadamente en el K126+298 desde el inicio del río Bogotá en su punto de inicio de la cuenca alta y tiene las coordenadas 1029557 norte y 1005432 este (EAAB-Unversidad Nacional de Colombia, 2010). A continuación se presentan algunas mediciones de determinantes de la calidad del agua en un estudio realizado por la empresa de acueducto y alcantarillado en conjunto con la Universidad Nacional de Colombia en el año 2010.
Tabla 3. Determinantes de la calidad del agua en Pu ente Vargas (EAAB-Unversidad Nacional de Colombia, 2010)
Fecha
Hora
Sólidos
Suspendidos
Totales (mg/L)
E. Coli ((UFC/100
ml)
Coliformes Totales
(UFC/100 ml)
Temp Cond pH O.D. T°C
Campaña 1 °C mS/cm - mg/L Amb
09/06/2009
07:40 34.00 100000.00 600000.00 18.70 335.00 7.12 1.60 21.10
11:00 16.00 50000.00 200000.00 19.70 477.00 7.25 1.86 25.80
12:00 15.00 70000.00 300000.00 20.00 450.00 7.25 1.67 22.80
13:00 16.00 100000.00 800000.00 19.70 404.00 7.25 1.70 24.70
25/08/2009
08:00 45.00 210000.00 480000.00 18.90 452.00 7.36 1.73 18.20
08:40 26.00 240000.00 470000.00 18.50 461.00 7.38 1.50 18.40
09:40 21.00 160000.00 360000.00 18.70 454.00 7.31 0.31 21.00
(-)
07:30 32.00 92000.00 330000.00 19.44 392.00 7.40 2.55 15.70
10:20 19.00 11000.00 39000.00 21.07 356.00 7.72 1.72 26.30
12:50 24.00 5200.00 35000.00 21.17 367.00 7.73 1.79 26.50
30
A continuación se presentan imágenes relacionadas con el sitio de medición y su ubicación espacial:
Imagen 6. Ubicación especial Puente del C omún obtenida en Google Earth
Imagen 5. Sitio de medición Puente del Com ún
31
Detalles de medición
A partir de la metodología mencionada en el capitulo tres, y teniendo los sitios de medición definidos, se procedió a realizar las campañas de medición. En ambas ocasiones se realizó durante las horas de la mañana, y había tiempo despejado. Es pertinente mencionar que conociendo la naturaleza y calidad del agua en ambos lugares de medición, se tomaron todas las medidas de seguridad necesarias. Se utilizó equipo de protección personal procurando evitar al máximo el contacto directo con el agua de las muestras, pues como se demostrará
posteriormente, existe una gran cantidad de bacterias coliformes en este tramo del río Bogotá. Para poder tomar todas las pruebas necesarias se llevó el siguiente equipo:
• Phmetro Oakton modelo pH300
• Conductímetro Orion-Thermo modelo Orion Star
• Multiparametrico Hach modelo HQ40D
• Sonda de oxígeno Hach modelo HQ40D
• 2 recipientes de 1L de vidrio esterilizados para bacterias coliformes
• 2 recipientes de 1L de plástico esterilizados para los sólidos suspendidos totales
• 1 balde
• 2 muestreadores de acero galvanizado especializados
• 2 cuerdas de 12 metros de longitud
• Flexómetro
Para llevar a cabo la toma de muestras se utilizaron unos muestreadores especializados de acero galvanizado. Estos tienen la capacidad de alcanzar la totalidad de la profundidad del río en ambos sitios de medición gracias a su elevado peso. Están diseñados para que no se llenen inmediatamente en el instante en que entran en contacto con el agua, sino que a partir de un pequeño orificio en la parte superior, el agua entre de manera lenta y permita realizar un barrido de toda la vertical llegando hasta el fondo del río. En las siguientes imágenes se muestra el muestreador de acero galvanizado:
32
Como se observa en la imagen 7, el muestreador en su interior tiene un tubo de PVC del cual se sacarán las muestras de agua, para evitar el contacto del agua directamente con el metal, puesto que esto podría afectar la calidad del agua.
A partir de la metodología de toma de muestras descrita en la página 23, y siguiendo la imagen 1, se procedió a medir el ancho del rió de forma aproximada desde la superficie del puente y así establecer el lugar de cada una de las verticales a las distancias indicadas. Luego se realizó en primera instancia la obtención de la muestra de agua para los sólidos suspendidos. Ésta se consigue a
partir de la combinación de diferentes cantidades de agua en tres verticales distintas. Se utilizó el muestreador previamente descrito para recolectar las muestras de agua y un balde para la mezcla. En las imágenes a continuación se evidencia este proceso:
Imagen 8. Muestreador de acero galvanizado ar mado Imagen 7. Componentes del muestrador
33
Imagen 10. Combinación Agua para la muestra de sóli dos suspendidos
Imagen 9. Metodología para la toma de muestras
34
Al agua combinada a partir de diferentes muestras de agua en las verticales se le midió la temperatura, el Ph, la conductividad, y se extrajo la muestra para los sólidos suspendidos totales.
Luego, siguiendo la misma metodología, se prosiguió a tomar la muestra de agua de bacterias coíformes. En ésta se tuvo mayor precaución evitando lo mejor posible que la muestra de agua entrara en contacto con cualquier superficie y se vieran modificadas sus características iniciales. A partir del muestreo en una sola vertical central, se obtuvo la cantidad de agua necesaria para llenar el recipiente
para la prueba de coliformes totales. Este recipiente fue expuesto al ambiente sólo durante el llenado del mismo. Pero antes de realizar el llenado, se hizo una medición de oxígeno disuelto a la muestra cuando todavía se encontraba en el muestreador.
El procedimiento anterior se repitió durante las dos campañas en los dos sitios de medición y, con las muestras tomadas, fue posible la estimación del coeficiente de partición. En ninguna de las campañas hizo falta la caracterización de ningún componente previamente planificado. Por otro lado la estación limnigráfica Puente Vargas permite la estimación del caudal por medio de una simple visión de la mira que se encuentra ubicada en el río. Este parámetro habría complementado el
entendimiento de la dinámica de las bacterias coliformes, ya que no se realizó su estimación.
Capítulo 5. Resultados
A continuación se presentarán los resultados de las pruebas realizadas diferenciadas por campaña y por sitio de medición. Es importante mencionar que Puente Vargas se denominó el sitio 1, mientras que el Puente del Común el sitio 2. Esto será indispensable para el entendimiento de las tablas de resultados. Tabla 4. Características del agua medidas en campo
Campaña Sitio Temperatura (°C) Ph Conductividad
(µS/cm) Oxígeno Disuelto (mg/L)
1 1 18.9 6.98 364 1.98 2 17.7 6.96 311 2.48
2 1 17 7.14 314 2.16 2 15.4 7.11 289.9 2.39
35
En la anterior tabla se puede observar que, como se mencionaba previamente en el documento, las condiciones en las que se hizo la medición variaron de una campaña a otra. Realizando una comparación entre las dos campañas, en términos generales la temperatura del agua fue menor en la segunda campaña, el Ph mayor, la conductividad aumentó y el oxígeno disuelto tuvo un comportamiento distinto entre los sitios de medición, en el sitio 1 (Puente Vargas) se presentó un incremento, mientras que en el sitio 2 (Puente del Común) disminuyó.
Por otra parte, al comparar los sitios de medición, en la estación de Puente Vargas se obtiene una mayor temperatura y conductividad que en el puente del común y un menor Ph y oxígeno disuelto. Estos determinantes influenciarán en gran medida las bacterias que fueron obtenidas.
Tabla 5. Resultados de las pruebas de coliformes to tales en la campaña 1
Campaña Sitio Prueba Dilución UFC rojas UFC Azules Total UFC/100ml
1
- Blanco Agua estéril - 0 0 0 0 - Blanco Agua Ionizada - 0 0 0 0 - Blanco Solución Acuosa - 0 0 0 0
1
Agua Original 1/1000 incontable incontable >200 >200000 1/10000 54 7 61 610000
Agua Centrifugada 1/1000 86 13 99 99000 1/10000 11 2 13 130000
Replica Agua Centrifugada 1/1000 83 10 93 93000 1/10000 10 4 14 140000
Sedimento 1/1000 incontable incontable >200 >200000 1/10000 41 13 54 540000
2
Agua Original 1/1000 incontable incontable >200 >200000 1/10000 51 15 66 660000
Agua Centrifugada 1/1000 76 22 98 98000 1/10000 6 3 9 90000
Replica Agua Centrifugada 1/1000 81 17 98 98000 1/10000 6 5 11 110000
Sedimento 1/1000 incontable incontable >200 >200000 1/10000 38 7 45 450000
36
Tabla 6. Resultados de las pruebas coliformes total es en la campaña 2
Campaña Sitio Prueba Dilución Colonias rojas Colonias Azules Total UFC/100ml
2
- Blanco Agua Ionizada - 0 0 0 0 - Blanco Solución Acuosa - 0 0 0 0
1 Agua Original
1/1000 149 37 186 186000 1/5000 26 4 30 150000
1/10000 14 1 15 150000
Agua Centrifugada 1/1000 10 11 21 21000
1/10000 1 3 4 40000
Sedimento 1/5000 33 3 36 180000
1/10000 7 0 7 70000
2 Agua Original
1/1000 213 63 276 276000 1/5000 45 7 52 260000
1/10000 21 7 28 280000
Agua Centrifugada 1/1000 13 10 23 23000
1/10000 2 1 3 30000
Sedimento 1/5000 21 4 25 125000
1/10000 9 3 12 120000
Como se realizaron pruebas a partir de diferentes diluciones sobre la misma muestra de agua, se utilizó el promedio de los resultados obtenidos en aquellas realizadas sobre el mismo componente para obtener un valor único de la siguiente manera:
Tabla 7. Comparación de las bacterias obtenidas dir ectamente en el agua y a través de la separación de sus componentes en la campaña 1
Campaña Sitio Promedio Agua
Centrifugada (UFC/100ml)
Promedio Sedimento
(UFC/100ml)
Suma (UFC/100ml)
Promedio Agua Original (UFC/100ml)
% diferencia
1 1 115500 540000 655500 610000 7.46% 2 99000 450000 549000 660000 16.82%
Tabla 8. Comparación de las bacterias obtenidas dir ectamente en el agua y a través de la separación de sus componentes en la campaña 2
Campaña Sitio Promedio Agua
Centrifugada (UFC/100ml)
Promedio Sedimento
(UFC/100ml)
Suma (UFC/100ml)
Promedio Agua Original (UFC/100ml)
% diferencia
2 1 30500 125000 155500 162000 4.01% 2 26500 122500 149000 272000 45.22%
Como se puede observar en las tablas 7 y 8, la separación de las bacterias en el agua sin sólidos y en los sedimentos ocurrió en general de manera adecuada. Se obtienen dos valores dentro del 10% del total, una cerca del 15%, y una alejada
37
del 45%. Es importante mencionar que estas pruebas tienen una gran variabilidad, y los resultados obtenidos fueron muy acertados. La metodología a través de la centrifuga con una velocidad baja de revoluciones por minuto, funcionó de manera correcta. Sólo en una de las cuatro pruebas se encontró un resultado incoherente y se establece una efectividad del 75%.
En cuanto a la cantidad de bacterias encontradas se encuentra que en la campaña 1 se obtienen valores aproximadamente en un rango de 550000-650000 UFC/100ml y en la campaña 2 un rango de 150000-250000 UFC/100ml. Esto pudo
ser causado por diferentes factores, pero principalmente se cree que las condiciones cambiantes del agua influyeron en gran magnitud. El hecho de que en ambos sitios de medición se dieran concentraciones de bacterias similares, es un buen indicio de la medición, pues como se estableció en el capítulo 4, en los 13 km de separación entre estos puntos, no existen vertimientos naturales ni antropogénicos, sólo aquellas fuentes difusas. Otro indicativo de que se realizó
una buena estimación de las bacterias coliformes, es que al compararlo con los datos medidos en el 2010 en la estación Puente Vargas y en el Puente del Común observados en la tabla 3 se encuentra que los valores obtenidos se encuentran dentro de los rangos establecidos. Sin embargo al comparar determinantes como la temperatura o la conductividad con respecto a los coliformes totales, se encuentran algunas discrepancias, puesto que cuando se observa, por ejemplo,
que la temperatura tiende a disminuir, la cantidad de bacterias tiene a incrementar. Lo cual ocurrió de forma completamente contraria en las dos campañas realizadas. En aquella que se obtuvo las menores temperaturas, también se encontraron la menor cantidad de bacterias coliformes. Sin embargo lo anterior puede estar influenciado por una cantidad innumerable de factores, y en general se consiguieron valores que concuerdan con el estudio mencionado (EAAB-
Unversidad Nacional de Colombia, 2010).
Por otro lado, en cuanto a la estimación Kd, se obtuvieron los siguientes resultados a partir de la división de las bacterias y su medición independiente. El Kd se encontró a partir de la ecuación 9 y la Fp con la ecuación 12.
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Tabla 9. Estimación de Kd para la campaña 1
Campaña Sitio Nw (UFC/100ml) Np
(UFC/100ml)
m Sólidos
suspendidos totales (mg/L)
Kd (L/mg) Kd(m3/g) Fp
1 1 115500 540000 29.5 0.158 0.158 0.824 2 99000 450000 25 0.182 0.182 0.820
Tabla 10. Estimación de Kd para la campaña 2
Campaña Sitio Nw (UFC/100ml) Np
(UFC/100ml)
m Sólidos
suspendidos totales (mg/L)
Kd (L/mg) Kd(m3/g) Fp
2 1 30500 125000 25.5 0.161 0.161 0.804 2 26500 122500 23.5 0.197 0.197 0.822
En las tablas 9 y 10 se puede evidenciar que aún cuando la suma de las bacterias atrapadas en las partículas con aquellas libres en el agua discrepan de las
contabilizadas en el agua original, aparentemente la estimación de Kd continúa siendo realizado de manera correcta. Los valores de Kd fueron muy similares, en ambos sitios de medición durante ambas campañas. Lo anterior se muestra en la siguiente tabla:
Tabla 11. Comparación valores de Kd obtenidos en la s diferentes campañas
Sitio Kd Campaña 1 (M3/g)
Kd Campaña 2 (M3/g)
% diferencia
1 0.158 0.161 1.41% 2 0.182 0.197 8.19%
Con ambos valores dentro de un 10%, se encuentra que la metodología tuvo buena efectividad. Incluso este parámetro no debería permanecer constante, pues está modificado por la cantidad de sólidos suspendidos. Al haber encontrado valores de SST menores durante la segunda campaña, hizo que los coeficientes
de partición se incrementaran. Por otro lado el valor de Fp que se mantuvo constante en ambos sitios con cerca del 80%.
Cuando se realiza una comparación con valores en la literatura, se encuentra que en el mismo coeficiente de partición en sustancias como metales pesados (Cd,
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Cu, Pb, Zn), se tiene un rango de valores entre 0.01-0.1 m3/g (Thomann & Mueller, 1987). Esto indica que, en cuanto al orden de magnitud se es acertado y muestra que las bacterias tienen mayor tendencia a adherirse a los sólidos que otros contaminantes. En las referencias utilizadas no existen valores asociados coeficiente de partición en bacterias coliformes, lo cual evita realizar una comparación con mayor profundidad.
Capítulo 6. Conclusiones y Recomendaciones
Conclusiones
El principal objetivo del presente trabajo era la formulación de una metodología que tuviera la capacidad de estimar experimentalmente el coeficiente de partición de bacterias coliformes en cuerpos de agua superficiales. La efectividad del ensayo residía en que se pudieran separar los sedimentos del agua sin
desprendimiento de bacterias y, al cuantificarlas, se obtuvieran valores similares a la totalidad de ellas. La eficacia también dependía de que tan acertado fuera el valor de Kd, y que tan cercano se encontraba de valores del mismo coeficiente en diferentes tipos de químicos. Ambas características fueron efectivamente corroboradas con los resultados
obtenidos. La metodología tuvo un buen desempeño pues al realizar la división de las bacterias entre las partículas sólidas y el agua sin sedimentos, se comprobó que efectivamente se separaban adecuadamente en sus componentes. De las cuatro pruebas, dos tuvieron una diferencia menor al 10%, una menor al 20% y sólo una de las cuatro pruebas realizadas, representó un valor que se considera fuera del nivel de tolerancia. Esto implica una efectividad del 75% para la
metodología propuesta. De la misma forma, ya que la experimentación fue adecuada, era de esperarse que los valores obtenidos para el coeficiente de partición también lo fueran. Se encontraron valores en un rango de 0.15-0.2 m3/g. Éstos se encuentran dentro del orden de magnitud del coeficiente al compararlo con contaminantes, lo cual es un indicio de que la estimación fue correcta. Además, los Kd obtenidos fueron consistentes en las dos campañas realizadas en cada sitio de medición. Por otro lado, al calcular la fracción adsorbida de bacterias en los sedimentos (Fp), se
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encontró que este atributo fue muy constante. Aunque en las pruebas realizadas existieran condiciones variables, se encontraron valores cercanos entre sí en un rango de 0.8-0.83. Lo anterior demuestra que la metodología propuesta y los Kd obtenidos son coherentes y se tuvo una buena efectividad. Es importante mencionar que las pruebas de coliformes presentan una gran variabilidad. Existen una gran cantidad de factores que pueden afectar la medición: la contaminación externa de las muestras, la incertidumbre en sí asociada a la prueba de filtración por membrana y a la probabilidad que la porción de agua utilizada para las pruebas, efectivamente sea una buena representación de su totalidad. Al realizar diluciones también es posible que se realicen errores.
Se menciona que se realizó el intento de aplicar los modelos de decaimiento de bacterias coliformes con los resultados de Kd obtenidos. Se intentó conservar las muestras de agua y alejarlas de las condiciones que influyen en el número de bacterias coliformes existentes en el agua (radiación solar, mortalidad). Fue
planteado un procedimiento en el que sólo influyera la sedimentación, con el fin de observar el debido decaimiento de bacterias, y el incremento de las mismas en los sólidos suspendidos después de un tiempo determinado. Pero los resultados no fueron favorables, siempre se observó un incremento de las bacterias en el tiempo. Esto se atribuye a la falta del conocimiento de conservación de muestras en laboratorio y se sale del alcance de este proyecto pues aparentemente se dieron condiciones para que ocurriera el crecimiento en vez de alejar a las bacterias de posibles variaciones. En cuanto a la metodología aplicada para la toma de muestras, se comprobó su efectividad pues las muestras de agua presentaron resultados coherentes con respecto a los determinantes medidos. La toma de una muestra representativa de
toda la sección mostró buen comportamiento al igual que el muestreador utilizado para este fin.
Recomendaciones
Los resultados obtenidos muestran que la metodología propuesta tiene la capacidad de medir correctamente el coeficiente de partición. Esto se logró a partir del buen manejo y manipulación de las muestras, procediendo con gran cautela y
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precisión para evitar posibles fallas en la cuantificación. Es necesario que las muestras de agua ni sus contenedores, estén expuestos a la intemperie más que el tiempo obligatorio. La eficacia del procedimiento propuesto reside en la capacidad de mantener las muestras en condiciones lo más parecidas a las encontradas en el sitio de medición. Esto se alcanza por medio de la utilización de equipo y recipientes estériles en todo momento, la buena aplicación de la toma de muestras y su conservación hasta el sitio de experimentación con buena refrigeración. También es importante llevar a cabo procedimientos de cuantificación de SST y Coliformes totales estandarizados. Si no se tiene el conocimiento suficiente para
realizar este tipo de metodologías de manera independiente, mandar a realizar las pruebas en laboratorios especializados es lo más conveniente, pues en estos los resultados que sean entregados estarán certificados.
Bibliografía
Bowie, G. e. (1985). Rates, constants anf kinetics formulations in surfacce water quality modeling (EPA 600/3-85/040).
Cantor Monroy, M. M. (2010). Modelación del transporte de solutos en condiciones de flujo no permanente con alta dispersión y zonas muertas en canales de baja pendiente - Aplicación al caso del río Bogotá en el tramo de Puente Vargas-Puente la Vrigen. Universidad Nacional de Colombia, Departamento de ingeniería civil y agrícola, Bogotá. Chapra, S. C. (1997). Surface Water-Quality Modeling. McGraw-Hill .
Comisión Nacional del Agua. (2011). Estadísticas del agua en México. Col.
Copilco el Bajo, Coyoacán: Secretaria de Medio Ambiente y Recursos Naturales. Di Toro, D. M., O´Connor, D. J., Thomann, R. V., & St. John, J. P. (1981). Analysis of Fate of Chemicals in Receiving Waters. Phase 1. Chemical Manufact. Assoc.
Washington: HydroQual Inc.
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EAAB-Unversidad Nacional de Colombia. (2010). Modelación dinámica del agua del río Bogotá Producto No. 3 Resultados y análisis de las campañas de monitoreo de la calidad del agua del río Bogotá. Bogotá.
Ecological Society of America. (2001). Water in a changing world. Ecological Applications , 1027-1045.
Enviromental Protection Agency . (1999). Understanding Variation in Partition Coefficient, Kd, Values (Vols. V1: The Kd Model, Methods of Measurement and
Application of Chemical Reaction Codes). Washington. Gamboa Medina, M. M. (2008). Estimación experimental del coeficiente de particón de bacterias coliformes en agua y sedimentos de ríos. Universidad
Nacional de Colombia, Departamento de ingeniería civil y agrícola, Bogotá. Mancini, J. L. (1978). Numerical Estimates of Coliform Mortality Rates Under Various Conditions. Water Pollution Control Federation .
Thomann, R. V., & Mueller, J. A. (1987). Principles of Surface Water Quality Modeling and Control. New York: Harper & Roy.