Efecto de coagulantes y floculantes en la remoción de turbidez de aguas de ríos contaminadas

Effect of coagulants and flocculants in the removal of turbidity from polluted river waters

Luis Eduardo Oré Cierto1, *; Elvis Mariano Evangelista Medina1;

Jocep Máximo Arostegui Poma1; Wendy Caroline Loarte Aliaga2;

Juan Daniel Oré Cierto3; Miguel Ángel Quispe Trinidad1

1 Facultad de Recursos Naturales Renovables, Universidad Nacional Agraria de la Selva. Carretera Central km 1.21, Tingo María, Huánuco, Perú

2  Consultor Constructor & Auditor LEOC E.I.R.L. PPJJ. Bella Durmiente, Jr. 28 de Marzo N°273, Tingo María, Huánuco, Perú

3  Facultad de Ingeniería de Sistemas y de Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Ucayali Carretera Federico Basadre km 6.2, Pucallpa, Ucayali, Perú.

ORCID de los autores

L. E. Oré Cierto: https://orcid.org/0000-0003-2836-2436   E. M. Evangelista Medina: https://orcid.org/0000-0002-7069-0815

J. M. Arostegui Poma: https://orcid.org/0000-0001-7655-9618  W. C. Loarte Aliaga: https://orcid.org/0000-0001-9489-046X

J. D. Oré Cierto: https://orcid.org/0000-0002-1788-5146  M. Á. Quispe Trinidad: https://orcid.org/0000-0003-0999-0269

RESUMEN

El trabajo de investigación tuvo como objetivo evaluar coagulantes y floculantes en la remoción de turbidez de aguas de ríos contaminados, se utilizó tres coagulantes naturales Moringa oleífera, Musa paradisiaca (Medula de plátano de variedad seda), Theobroma Cacao (mucílago de Cacao de variedad Criollo) y el sulfato de aluminio (Al2SO4) a una sola concentración de 50 ppm y mediante un ensayo de jarras se estableció una mezcla rápida de 200 rpm durante 1 min, luego a 45 rpm durante 15 min y un tiempo de sedimentación de 15 minutos. Se obtuvo como resultado el comportamiento de los indicadores de la calidad de agua: turbidez, demanda biológica de oxígeno (DBO5), conductividad eléctrica, sólidos suspendidos totales y sólidos disueltos totales, antes y después de realizar los tratamientos, mediante la prueba de Duncan se determinó el mejor tratamiento a la Moringa oleifera presentando un 92,15% en promedio de remoción de  turbiedad y el sulfato de aluminio un 90,70% en promedio de remoción de turbiedad, concluyendo que la Moringa oleifera es una alternativa para reemplazar al sulfato de aluminio por su reducida toxicidad y viabilidad ambiental.

ABSTRACT

The objective of the research work was to evaluate coagulants and flocculants in the removal of turbidity from polluted river waters, three natural coagulants were used: Moringa oleífera, Musa paradisiaca (silk variety banana pith), Theobroma Cacao (Cacao mucilage of the Criollo variety ) and aluminum sulfate (Al2SO4) at a single concentration of 50 ppm and through a jar test, a rapid mixture of 200 rpm for 1 min was established, then at 45 rpm for 15 min and a sedimentation time of 15 min. The behavior of the water quality indicators was obtained as a result: turbidity, biological oxygen demand (BOD5), electrical conductivity, total suspended solids and total dissolved solids, before and after carrying out the treatments, using the Duncan test. determined the best treatment for Moringa oleifera presenting an average turbidity removal of 92.15% and aluminum sulfate an average turbidity removal of 90.70%, concluding that Moringa oleifera is an alternative to replace aluminum sulfate due to its reduced toxicity and environmental viability.

1. Introducción

El agua potable debe presentar características de calidad como libre de turbidez, de color y de sabor perceptibles, así como otros parámetros regula-dos de acuerdo con las normativas de los países. Las aguas naturales raramente son de calidad satisfactoria para el consumo humano o el uso industrial y casi siempre deben ser tratadas (Gerard, 1999), en la región Huánuco, la empresa prestadora de servicio (EPS) Seda Huánuco SA-Sucursal en Leoncio Prado se limita a realizar procesos de cloración y desinfección con la finalidad de eliminar los patógenos presenten en el agua (Vásquez, 2023).

Los coagulantes naturales son una opción cada vez más popular para la clarificación del agua permitiendo su consumo, siendo esta una tecnología convencional apropiada y económica para sectores vulnerables a este problema del acceso de agua potable; en los últimos años el sulfato de aluminio ha sido usado como coagulante para la clarificación del agua, este compuesto químico apenas satisface las necesidades, con el fin de reducir su uso; los coagulantes naturales son una opción ambientalmente viable, debido a que tienen la capacidad de atraer y enlazar partículas suspendidas en el agua formando flóculos para que luego se pueden separar físicamente.

La Universidad Nacional Agraria de la Selva (UNAS), cuenta con 3 plantas de tratamiento de agua potable (PTAP) para cada quebrada, Naranjal, Córdova y Cocheros donde la turbiedad que presentan estas quebradas es demasiado elevada (Suarez Vásquez et al., 2021) debido a las intensas precipitaciones 451,08 mm/mes (SENAMHI, 2023) en temporada de avenida que presenta la ciudad de Tingo María, como consecuencia la calidad del agua es baja; el trabajo tuvo como objetivo disminuir los niveles de turbiedad utilizando coagulantes naturales como la medula de Musa paradisiaca (Sierra-Julio et al., 2019; Méndez et al., 2022), Moringa oleífera (Meza-Leones et al., 2018; Riaños et al., 2019); Theobroma Cacao (Bravo & Cuenca, 2021) y el Sulfato de aluminio (Al2SO4).

2. Material y métodos

Lugar de ejecución

El trabajo de investigación se realizó en el laboratorio de Calidad de Agua de la Universidad Nacional Agraria de las Selva.

La zona de estudio corresponde al departamento de Huánuco distrito, provincia de Leoncio prado, distrito de Rupa Rupa, dentro del campus de la Universidad Nacional Agraria de la Selva, en el laboratorio de calidad de agua de la escuela profesional de ingeniería ambiental, el cual se encuentra al margen derecho de la carretera central Fernando Belaunde Terry en dirección del tramo Huánuco – Tingo María a una latitud de 663 m.s.n.m. (Figura 1).

Figura 1. Mapa de ubicación del área de estudio.

Materiales, equipos e insumos

Se utilizaron 6 matraces de 1000 ml de capacidad, 3 vasos precipitados de 1000 ml y 500 ml, pipetas de 10 ml de capacidad, tamizador, vasos de plástico de 1000 ml, cinta negra, 3 valdes de capacidad de 20 L. También los equipos: Agitador magnético Kyntel, test de jarras PHIPPS & BIRD, multiparámetro WTW, turbidímetro Hach, Estufa Memmert, Molienda mecánica Gilson, Termo reactor Velp scientifica. Además, los insumos: Agua destilada, Sulfato de aluminio (AL2SO4), Moringa oleífera, Musa paradisiaca (Medula de plátano de variedad seda), mucílago del Theobroma cacao (Cacao variedad Criollo).

Recolección de agua de objeto de estudio

Se realizó un muestreo simple del agua cruda proveniente de las quebradas Naranjal, Córdova y Cocheros en el ingreso a las inmediaciones de la planta de tratamiento de agua potable de cada quebrada, situada en las instalaciones de la Universidad Nacional Agraria de la Selva (UNAS), el  agua  recolectada  se  almacenó  en baldes de plástico de capacidad 20 L y se transportó al  laboratorio  de calidad de Agua de la UNAS, donde se conservó a temperatura ambiente (27 °C) y se midieron parámetros iniciales como la turbidez,  DBO5, Sólidos disueltos totales (TDS), Sólidos suspendidos Totales (TSS), Conductividad eléctrica y Temperatura del  agua  natural (mencionar el mes que se recolecto, y la precipitación de ese mes).

Preparación de los Coagulantes

Los coagulantes presentan la misma concentración de dilución (0,01 g/ml), se presentaron a una dosificación de 50 ppm cada una con 3 repeticiones, con el objetivo de determinar el coagulante más eficiente para la remoción de la turbiedad.

Moringa oleífera

Para la extracción del coagulante de la moringa oleífera se utilizó el método de Somani et al. (2011), que consiste en pelar las vainas manualmente para extraer las semillas de moringa, secar las semillas en la estufa a 115 °C durante 24 horas, triturar y moler las semillas en una molienda mecánica y tamizar el polvo; para la preparación de la solución se pesaron los 10 g de harina de moringa se adicionaron 1000 ml de agua destilada y  se mezclaron durante 5 minutos, esta solución se filtró para separar las partículas de harina de moringa de la solución.

Musa paradisiaca

Para la extracción de la medula del banano se utilizó el método propuesto por Kakoi et al. (2016), que consiste en recolectar los seudotallos desechados luego del proceso de deshije, lavar y luego extraer la parte central del tronco, enjuagar con agua destilada, cortar en pequeños trozos y secar en un horno a 60 °C durante 6 h, luego triturar hasta obtener un polvo fino, por último, almacenarlo a una temperatura de 25 °C, para la solución se pesó 10 g de sustancia de medula de banano y disolver en 1000 ml de agua destilada y agitarlo por 3 min.

Theobroma cacao

Para la extracción del mucilago de cacao se hace uso del método salino adaptado del método de Prasad et al. (2009), que consiste en preparar la solución salina 0,25 molar, para ello se agregó 7,305 g de NaCl en 200 ml de agua destilada y posteriormente se agregó 300 ml de agua destilada, para la extracción del mucílago se cortó el cacao fresco para adquirir las semillas, añadió 100 g de semillas de cacao fresco en un recipiente junto con 500 ml de solución salina, mezclar por 30 min, por último, se filtró el fluido de las semillas.

Sulfato de aluminio

Para la preparación del sulfato de aluminio se realiza la metodología propuesta por Solís Silvan et al. (2012), que consiste en diluir 10 g de sulfato de aluminio en 1000 ml de agua destilada en tiempo de mezclado de 5 min, por último, se almacenó a una temperatura ambiente

Ensayo de jarras

El agua extraída de las quebradas Naranjal, Córdova y cocheros que ingresan a las plantas de tratamiento de agua potable, fueron distribuidas en 6 jarras o beakers, a cada muestra se le añadió un coagulante diferente con la misma concentración. Se usaron dos velocidades de mezclado, la mezcla rápida con 200 rpm durante 1 min, luego se disminuyó la velocidad a 45 rpm durante 15 min, se detuvo el mezclado y se dejó sedimentar durante 15 min. Por último, se midió la turbidez, DBO5, sólidos disueltos totales (TDS), sólidos suspendidos totales (TSS), conductividad eléctrica y temperatura del agua cruda.

Diseño experimental y análisis de resultados

El diseño experimental para la investigación es de tipo DBCA, como única variable de respuesta se tiene a la turbidez final para cada uno de los coagulantes utilizados (Moringa oleífera, Musa paradisiaca, Theobroma cacao y sulfato de aluminio) expresada en unidades nefelométricas de   turbidez (UNT), teniendo como factor las 3 quebradas donde se extrajeron el agua (Naranjal, Córdova y Cocheros). Los resultados conseguidos en las 3 repeticiones para cada coagulante se tabularon y analizaron en el programa estadístico R-Studio. Se realizó la prueba de normalidad de Shapiro Wilk presentando un comportamiento normal (p-valor: 0,02444, menor a 0,05) el cual identifica que los diferentes coagulantes naturales (Moringa oleífera, Musa paradisiaca, Theobroma Cacao, Sulfato de aluminio) y su remoción de turbidez siguen una distribución normal. Estadísticamente, los errores de remoción de la turbidez se ajustaron a una distribución normal. Posteriormente se efectuó la prueba de Turkey, con una confiabilidad del 95% (valor p < 0,05).

3. Resultados y discusión

En la Tabla 1 se muestran las medias de los parámetros analizados y su coeficiente de variación en las 3 quebradas. Según el Feria-Díaz et al. (2016). El comportamiento de la turbidez, conductividad eléctrica (C.E) y DBO5 (Demanda Bioquímica de Oxígeno) en diferentes trata-mientos de coagulante en las quebradas Naranjal, Cocheros y Córdova ha sido analizado con base en los datos proporcionados.

En las quebradas se utilizaron diferentes coagu-lantes como alúmina, moringa, plátano y cacao. En cuanto a la conductividad eléctrica, se observa que la coagulante moringa presenta el valor más alto de 430,33 uS/cm, seguido por el cacao con 784,00 uS/cm, plátano con 195,33 uS/cm y alúmina con 72,60 uS/cm. Según Smith & Johnson (2018), estos resultados sugieren que el coagulante cacao tiene la mayor capacidad para aumentar la conductividad eléctrica del agua, mientras que la coagulante alúmina tiene el menor efecto.

En relación con el DBO5 (cantidad de oxígeno requerida por los microorganismos para degradar la materia orgánica), los valores fluctúan entre 0,05 y 6,95. El coagulante de moringa muestra el valor más alto de DBO5 con 6,95 mg/L, seguido del cacao con 6,05 mg/L, plátano con 4,98 mg/L y alúmina con 0,09 mg/L. Estos resultados sugieren que el coagulante de Moringa tiene un mayor potencial para aumentar la DBO5 en comparación con los otros coagulantes. En cuanto a la turbidez del agua, se puede observar que el coagulante de moringa tiene el mayor efecto, con un valor de 30,90 UNT (Unidades Nefelométricas de Turbidez), seguido por el cacao con 92,00 UNT, plátano con 132,33 UNT y alúmina con 0,96 UNT. Así, el coagulante de moringa tiene un impacto significativo en la reducción de la turbidez del agua.

En la Figura 2 se observa que la turbidez inicial disminuye con el uso de los coagulantes naturales con dosificaciones de 50 mg/L, siendo el más efectivo la Moringa oleífera con 92% de remoción. Feria-Díaz et al. (2016) logra remover el 95% de turbidez con dosis entre 5 mg/L a 60 mg/L con valores de turbidez de 56, 104, 200 y 301 UNT.

Tabla 1

Estadístico descriptivo de los parámetros del agua después de aplicar los tratamientos

CV: Coeficiente de variación.

Figura 2. Comportamiento de los parámetros del agua antes y después de aplicar los tratamientos.

Se nota un aumento en el DBO5 en casi todos los coagulantes naturales a excepción del sulfato de aluminio donde hubo una disminución debido a que no hay mucha biodegradación con este coagulante natural. Choque-Quispe et al. (2020) indica que la adición de coagulante aumenta significativamente la DBO5, debido a que está compuesta por proteínas y carbohidratos.

Para la conductividad eléctrica se observa un valor constante para cada biocoagulante. Fuentes Molina et al. (2016) indica que los coagulantes naturales no se afecta significativamente la conductividad eléctrica en el tratamiento de las aguas, gracias a los mecanismos de adsorción y la neutralización de cargas que ofrecen las biomasas de origen vegetal. 

En el caso de la temperatura los valores tuvieron una ligera variación esto debido a las condiciones ambientales existentes a la hora de medir este parámetro, lo que no influyó en la eficiencia de remoción. Pritchard et al. (2010) indican que la temperatura cálida del agua favorece el uso de coagulantes, puesto que a mayor temperatura se obtiene mayor eficiencia, en un rango de 5 °C a 60 °C.

Para los sólidos disueltos totales hubo un aumento notorio en todos los coagulantes naturales debido a que estos tenían bastante carga orgánica. Guzmán et al. (2015) indican que el aumento en la concentración de sólidos se debe al aumento de la dosis de coagulante ya que esta radica en la restauración del sistema por la disolución de los flóculos formados.

Por último, para los sólidos suspendidos totales hubo una notable disminución con el uso de los coagulantes naturales. Banchón et al. (2016) encontraron una disminución de un 70% de los sólidos suspendidos totales.

Diseño en bloque completamente aleatorizado

Análisis de Varianza para el DBCA

En la Tabla 2 podemos determinar si las variables del modelo DBCA son significativas para ello analizó comparando el F tabular con el F value; para los bloques que representan las quebradas de donde se extrajeron el agua con un F value 7,084 > F tabular 3,31583, se afirma que el efecto de remoción de la turbidez en las quebradas es diferente.

Para los tratamientos que representan los diferentes coagulantes naturales con un F value 21,131 > F tabular 2,922277, se afirma que el efecto de remoción de la turbidez para cada coagulante natural es diferente.

Diferencia de Medias significativa Tukey

La prueba de Tukey fue utilizada para determinar la diferencia significativa que existe entre las medias de los niveles de un factor. En la Tabla 3 se observa la remoción de la turbidez en todos los tratamientos a 50 ppm cada una con 3 repeti-ciones. Para el tratamiento 1 (Sulfato de aluminio), se presenta una remoción promedio de 90,70%, obteniendo menor eficiencia en comparación a la obtenida por Meza-Leones et al. (2018) (99,8%).

Tabla 2

Análisis de varianza para el diseño en bloque completamente aleatorizado

Tabla 3

Prueba Tuckey para la eficiencia de remoción de la turbidez para cada coagulante natural

La diferencia se basa en el valor de la turbiedad inicial, en el caso de Meza-Leones et al. (2018) tuvo un valor de 276 UNT siendo mayor al valor de las quebradas evaluadas en la presente investigación 106 UNT (Cochero), 122 UNT (Córdova), 106 UNT (Naranjal), para el tratamiento 2 (Moringa oleífera), presenta una remoción de turbidez promedio de 92,15% siendo el coagulante natural de mayor eficiencia según los antecedentes Cabrera et al. (2018) donde se logra alcanzar una remoción de turbidez del 99,18% y 99,29% a una turbiedad de 920 NTU de una muestra de agua industrial, la diferencia de la eficiencia se basa en la mezcla de coagulante entre Ipomoea incarnata y Moringa oleífera y por la procedencia del agua y su alto nivel de turbidez a comparación de las quebradas de estudio con 106 NTU (Cochero), 122 NTU (Córdova), 106 NTU (Naranjal),o según Riaños et al. (2019) donde se logra alcanzar una remoción de turbidez del 93,0% y 93,4% a una turbiedad de 238 y 320 NTU para muestras de agua de humedales, mediante una mezcla de coagulantes entre semillas Manihot esculenta y Moringa oleíferae, las eficiencias son muy similares al estudio, para el tratamiento 3 (Musa paradisiaca), se presenta una remoción promedio de 63,85% siendo menor la eficiencia de remoción de turbiedad en contraste con Méndez et al. (2022) que obtuvo una remoción del 84,1%. La diferencia radica en el valor de turbiedad inicial en ambas investiga-ciones. Méndez et al. (2022) tuvo un valor de 250 UNT y las quebradas evaluadas tuvieron valores de 106 UNT (Cochero), 122 UNT (Córdova), 106 UNT (Naranjal), para el tratamiento 4 (Theobroma cacao), se presenta una remoción promedio de 59,80% y según Bravo & Cuenca (2021) contribuye a disminuir la carga contamínate y sólidos totales en un 83,04% en mezcla de otros coagulantes naturales. En la presente investi-gación se utilizó el mucílago sin ninguna mezcla, presentando una gran variación en la eficiencia de remoción.

4. Conclusiones

Se evaluó los coagulantes y floculantes naturales de Moringa oleifera, Sulfato de aluminio, Theobroma Cacao y Musa paradisiaca para la remoción de turbidez en las plantas de tratamiento de agua potable proveniente de las quebradas Naranjal, Córdova y Cocheros; el coagulante natural más efectivo según la prueba de Duncan es la Moringa oleifera con una remoción de turbiedad promedio del 92,1556% y el segundo coagulante más efectivo es el Sulfato de Aluminio con una remoción de turbiedad promedio del 90,7011%, ambos a una concentración de dilución de 0,01 g/ml y a una  turbiedad inicial de 193 NTU (Naranjal), 106 NTU (Cochero) y 122 NTU (Córdova). Las semillas de Moringa oleífera, por su reducida toxicidad y la viabilidad ambiental en su uso, son una alternativa para reemplazar parcialmente al sulfato de aluminio.

Agradecimientos

A los jefes del laboratorio de Calidad de Agua y al director de la Escuela Profesional de ingeniería Ambiental de la Facultad de Recursos Naturales Renovables de la Universidad Nacional Agraria de la Selva, por prestar los materiales y equipos del laboratorio para la realización del trabajo de investigación.

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