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Evaluación del poder coagulante del sulfato de aluminio y las semillas de Moringa oleífera en el proceso de clarificación del agua de la ciénaga de Malambo, Atlántico
Evaluation of the coagulant power of aluminum
sulfate and Moringa oleífera seeds in
the clarification process of water in the swamp of Malambo, Atlántico
María Meza-Leones mcmeza@mail.uniatlantico.edu.co
Universidad del Atlántico, Colombia
Katerine Riaños-Donado kriano@mail.uniatlantico.edu.co
Universidad del Atlántico, Barranquilla, Colombia
Iván Mercado-Martínez ivanmercado@mail.uniatlantico.edu.co
Universidad del Atlántico, Barranquilla, Colombia
Rafael Olivero-Verbel rafaelolivero@mail.uniatlantico.edu.co
Universidad del Atlántico, Colombia
Mario Jurado-Eraso majuradoe@umariana.edu.co
Universidad Mariana, Colombia
Revista UIS Ingenierías, vol. 17, núm. 2, pp. 95-103, 2018
Universidad Industrial de Santander
Recepción: 10 Enero 2018
Aprobación: 27 Febrero 2018
Publicación: 13 Marzo 2018
1. Introducción
Para remover la turbidez del agua para consumo humano, se emplea el proceso de coagulación-floculación [1]. La coagulación consiste en la adición de compuestos químicos, tales como sulfato de aluminio, cloruro férrico, carbonato de calcio y polímeros orgánicos sintéticos [2], que desestabilizan las partículas presentes en pocos segundos. Posteriormente se presenta la floculación, esta se fundamenta en el aglutinamiento de las partículas en flóculos con un peso específico mayor al del agua, que luego sedimentarán para facilitar su remoción [1].
La desventaja que tienen estas sustancias químicas es que una vez culminado el proceso de potabilización, permanecen en el agua, en forma residual, acumulándose en el medio ambiente [3]. El sulfato de aluminio se asimila de forma sencilla en los seres vivos, y su ingesta prolongada tiene efectos negativos en la salud [4].
Los animales pertenecientes a sistemas acuáticos son los principales afectados por estas sustancias. En Brasil, durante el año 2016 se confirmó que el sulfato de aluminio tiene un impacto negativo sobre las hidrolasas del cerebro, el tracto digestivo y la masa muscular de las Oreochromis niloticus, conocidas como tilapias [5].
El sulfato de aluminio en los seres humanos tiene incidencia en el deterioro cognitivo, en la demencia y en la aparición de la enfermedad de Alzheimer [4], cáncer y enfermedades óseas [6]. Además, esta sustancia química deteriora las células epiteliales intestinales, responsables de proteger el intestino de sustancias nocivas y filtrar distintos componentes de la dieta diaria [7].
Debido a lo anterior, se hace necesario encontrar una alternativa viable que logre reducir la turbidez, el color y la materia orgánica del agua, sin dejar residuos metálicos que puedan provocar efectos negativos en la salud humana [8].
En algunas zonas del territorio colombiano no se cuenta con fuentes de agua potable, por esto sus habitantes deben crear sistemas artesanales que les permiten tener acceso a este recurso. Debido a lo anterior, la clarificación del agua es una opción viable en sitios vulnerables de Colombia, donde no se dispone del servicio de agua potable las 24 horas del día [9].
En la actualidad, los materiales vegetales extraídos de hojas, exudados, cortezas, raíces y semillas de plantas y árboles están siendo estudiados como una alternativa excelente para remover la turbidez del agua, sus ventajas radican en su biodegradabilidad, bajo costo, fácil adquisición y sin efectos negativos en la salud humana [2], [10].
Los coagulantes naturales pueden ser de origen vegetal o animal. Los más estudiados son los de origen vegetal, en especial la Moringa oleífera, Opuntia ficus-indica, Cactus lefaria, Café, semillas de Nirmali y fríjol común (phaseolus vulgaris). Además, una gran diversidad de almidones entre los que se encuentran el de yuca, el de maíz, el de plátano y el de arroz, y también algunas algas marinas. Estos coagulantes no alteran significativamente el pH y la conductividad del agua analizada [9].
El mayor interés ha surgido por el estudio del árbol de Moringa oleífera, que ha sido catalogado como el mejor coagulante natural para la purificación de aguas turbias [10]. Este árbol originario de la India y África soporta climas extremos, y puede llegar a crecer hasta 10 metros. Además, se pueden encontrar especies similares en América y Malasia [11].
La Moringa oleífera se puede cultivar de dos maneras, sembrando sus semillas o plantando fragmentos de la planta, tales como: tallos, raíces o ramas, conocido como cultivo por estacas; suele ser resistente a diversos climas, sin embargo, es vulnerable en tiempos de viento y sequía. Se presenta en diferentes lugares del mundo; estudios han demostrado que la Moringa oleífera cultivada en la India posee mayores propiedades nutricionales que las cultivadas en Nigeria debido a las altas temperaturas que se presentan en este país [12].
Se ha logrado identificar que existen aproximadamente 14 especies de este árbol y que todas son capaces de producir semillas envueltas en vainas con un peso entre 150 y 300 mg, y que varían en longitud de 150 a 1200 mm entre especies y ubicación [13]. Estas semillas tienen propiedades antioxidantes atribuidas a los compuestos de extracto etanólico que contienen. En Brasil en el año 2017 se realizó una investigación sobre el poder antioxidante de la Moringa oleífera, usándola como aditivo para determinar la estabilidad de almacenamiento y oxidación del biodiésel comercial. Los resultados fueron positivos, pero menos eficaces que el antioxidante químico sintético (butilhidroxitolueno) usado generalmente para estos procesos. Sin embargo, la Moringa oleífera es económica y amigable con el medioambiente, porque proviene de una fuente renovable [14].
En el año 2016, en la India, ha sido ampliamente estudiada para conocer su valor nutritivo y comercial, debido a su alto contenido en minerales, vitaminas y fitoquímicos [15]. Con fines nutritivos, el consumo de esta planta les permite a las madres lactantes el aumento de la producción de leche materna. Además, es usado como agente antioxidante, antiinflamatorio, antidiabético, anticancerígeno, antimicrobiano y para fortificar algunos fármacos [16].
Algunos de los usos medicinales importantes de la Moringa oleífera investigados recientemente en la India han demostrado que los extractos de sus hojas son capaces de inhibir la producción de células cancerígenas en los seres humanos [17], y también la diabetes tipo 1 y 2. La diabetes tipo 1 es aquella en la que no hay producción de insulina por parte del páncreas y se presenta generalmente en niños y jóvenes. Mientras que la diabetes tipo 2 se presenta comúnmente en adultos mayores que hacen resistencia al uso de la insulina. Debido al poder antioxidante propio de la Moringa oleífera puede presentarse una reducción de este tipo de enfermedades [18].
Las semillas de Moringa oleífera poseen una proteína catiónica soluble en agua, capaz de coagular el material presente en el agua turbia [19]. Un solo árbol es capaz de producir 2000 semillas por año, con lo que se podría tratar aproximadamente 6.000 l de agua; sin embargo, un árbol puede ser cultivado para producir 5 o 10 veces más esta cantidad, es decir 10.000 a 20.000 semillas anuales, que equivalen a 60.000 l de agua tratada [10]. Además, se ha demostrado que la planta y sus semillas tienen una baja toxicidad [20].
Una vez extraído el aceite de las semillas, conocido como aceite de Ben que corresponde al 30–35 % (p/p) [4], las semillas desengrasadas tienen 448,16 mg de proteína/g de semilla. Mientras el 2,05 % no es soluble, el 97,95 % sí lo es y se divide en: 44 % albúminas solubles en agua, 53 % globulinas I y II solubles en sales, 0,56 % prolaminas solubles en alcohol y 0,39 % glutelina soluble en NaOH. Las proteínas albúminas y globulina I coagulan las sustancias presentes en agua turbia. La globulina I remueve el 90 % del color y la turbidez, cuando se emplea una dosis de 13 mg/L en el tratamiento del agua cruda, cuya característica inicial es una turbidez baja, 50 UNT. Por el contrario, la prolamina, la glutelina, globulina II y la fracción proteica insoluble no poseen ninguna actividad coagulante [21].
Además, son capaces de remover colorantes artifíciales. En el año 2017, se desarrolló en Brasil una investigación en la que se usaron las semillas de Moringa oleífera como adsorbentes naturales, de fácil adquisición y de bajo costo para remover la tartrazina de una solución acuosa, comparando su rendimiento con el carbón activado tradicionalmente usado para este fin, coco babasú. El resultado obtenido fue que la Moringa oleífera es capaz de remover más del 95 % del colorante [22].
La industria del café genera agua residual con altas cantidades de sustancias nocivas para la salud humana y los ecosistemas acuáticos. A nivel mundial, aproximadamente el 40 % de las industrias procesan el café en húmedo. Durante el año 2016, se evaluó el poder coagulante de las semillas de Moringa oleífera y se encontró que disminuyen entre 20-100 % de los nitratos y nitritos, por lo que es una alternativa viable para la contaminación generada por este tipo de industrias [23].
Los extractos de semillas de Moringa oleífera son mezclados con carboximetilcelulosa (CMC) para crear películas comestibles orgánicas que permiten controlar enfermedades en el aguacate (Persea americanaMill.) como Hass y Gem; además, controlan la calidad de almacenamiento de este teniendo en cuenta la actividad antifúngica. Los resultados demuestran que los aguacates recubiertos con dicha película pierden menor cantidad de masa, producen menor cantidad de etileno y menor tasa de respiración en comparación con la fruta no recubierta. Esta investigación fue realizada en Sudáfrica en el año 2017 [24].
Debido al alto costo que representa tener una tecnología avanzada en temas de potabilización del agua, en Ghana continente africano, se utilizan aguas residuales para el riego en la agricultura. Durante el año 2012 se identificó la capacidad de la Moringa oleífera para reducir los niveles de turbidez de esta agua, además su potencial para disminuir la cantidad de huevos parásitos helmintos comunes en ella. Los resultados positivos obtenidos en esta investigación permitieron a los agricultores adoptar el uso de este coagulante natural en las aguas para el riego [25].
La ciénaga de Malambo, Atlántico, con coordenadas geográficas 10°51'19" de latitud norte y a 74°45'23" de latitud oeste [26], se conecta al río Magdalena a través de un terraplén y en ella desemboca el arroyo San Blas, del municipio de Malambo [27]. El agua de este humedal natural actualmente no es apta para consumo humano; sin embargo, es usada por los habitantes de la zona para este fin. Por tal motivo, surge la necesidad de evaluar mediante esta investigación el poder coagulante del sulfato de aluminio y las semillas de Moringa oleífera en el proceso de clarificación del agua de la ciénaga de Malambo, Atlántico.
2. Metodología
2.1. Muestreo de la
ciénaga de Malambo, Atlántico
El agua cruda se recolectó utilizando un muestreo simple y representativo,
en las orillas de la ciénaga de Malambo, también llamada cienaga
Grande. Se registró su turbidez (TB 300 IR, Lovibond) y su pH y temperatura
(ST2100, OHAUS). El agua fue guardada en canecas plásticas con capacidad de 35 l
y almacenada a temperatura ambiente.
2.2. Extracción del
coagulante de Moringa oleífera
Se recolectaron del area rural y urbana del municipio de Malambo, en el
departamento del Atlantico, 700 vainas que fueron peladas manualmente para
obtener las semillas de Moringa oleífera; posteriormente estas se trituraron y se molieron en
una licuadora industrial de alto impacto (LI-5A, INMEZA). El polvo obtenido se
tamizó (Tyler, con abertura de 1,0 mm). Por último, el polvo fino se
sometió al método de extracción de grasas Shoxlet, luego se secó durante 30
minutos (F48055-60, THERMO SCIENTIFIC), se empacó y se almacenó en condiciones
ambiente.
2.3. Preparación de
los coagulantes
Se pesó 1 g de sulfato de aluminio comercial tipo B, y se disolvio en 100 ml de agua destilada. El mismo procedimiento se realizó con las semillas de Moringa oleífera.
Las dosis de coagulante aplicadas de sulfato de aluminio fueron de 10, 20, 40, 60, 80 y 100 mg/l. Para las semillas de Moringa oleífera, se determinó mediante ensayos preliminares las mejores dosis, cuyos resultados fueron 750, 770, 790, 810, 830 y 850 mg/l.
2.4 Correción de
pH
Para potabilizar las aguas crudas, su pH óptimo en la etapa de coagulación
debe estar comprendido en un rango de 6,5-8,0 [1]. El coagulante natural, Moringa oleífera, actúa dentro este
rango. Cada cuagulante químico tiene un rango de
pH óptimo en el que se solubiliza [28], para el sulfato de aluminio comercial
tipo B, este valor varía entre 5,5 y 8,0 [29]. Si el pH no se encuentra
dentro de este rango, se corrige adicionado un
álcali como cal o soda cáustica [28] o agregando un ácido, clorhídrico o
sulfúrico [30]. En esta investigación no
fue necesario corregir el pH.
2.5 Ensayo de
jarras
Se simuló un proceso de clarificación, usando el test de jarras (FC6S,
VELP), siguiendo los parámetros establecidos por la NTC 3903 de 1996. Se
llenaron 6 vasos de precipitado con 1000 ml del agua objeto de estudio, se
aplicaron las diferentes dosis de coagulantes y se sometiron a una agitación
rápida a 120 rpm durante un minuto; luego a una agitación lenta a 30 rpm
durante 20 minutos, posteriormente se sedimentaron los flóculos durante 15 min.
Todos los experimentos se realizarón por triplicado. La variable respuesta analizada
fue la turbidez, para medirla se extrajo una alicuota de 20 ml de cada jarra.
2.6 Análisis de
resultados
Para realizar la investigación de tipo experimental, se elaboró un diseño factorial categórico de un solo factor, dosis del coagulante, que permitió analizar su influencia sobre la turbidez del agua de la cienaga de Malambo.
Para verificar la eficiencia del coagulante natural los resultados se compararon con los obtenidos al emplear el sulfato de aluminio, sustancia química más utilizada en los procesos de potabilización.
Los resultados conseguidos en las 3 corridas para cada coagulante se tabularon y analizaron en el programa estadístico Statgraphics Centurion XVI.II, versión gratis en línea. Se efectuó un analisis de varianza (Anova) y el test de Duncan, con una confiabilidad del 95 % (valor P < 0,05).
3. Resultados
El agua cruda objeto de estudio presentó una turbidez de 56, 5 UNT, a una temperatura de 24 ºC y un pH de 7,27. Segun la Resolución 2115 de 2007, se establece que el agua destinada para el consumo humano debe cumplir con parametros fisicoquimicos específicos, tales como pH entre 6,5–9,0 y una turbidez de 2 UNT [31]; por lo tanto, el agua recolectada de la cienga de Malambo no cumplió con los requisitos de turbidez para ser consumida por los seres humanos.
Se elaboró el diseño factorial que se observa en la tabla 1. Con estas condiciones se realizó el test de jarras usando el coagulante sulfato de aluminio comercial tipo B, los resultados de turbidez después del tratamiento se muestran en la tabla 2.
Con este tipo de diseño experimental, se permitió evaluar y comparar todos los niveles de un solo factor y protejer contra el efecto que puedan tener las variables que no se tuvieron en cuenta.
Tabla 1.
Características del diseño factorial
para el sulfato de aluminio y las semillas de Moringa
oleífera.
Statgraphics Centurion XVI.II, versión gratis en
línea.
Tabla 2.
Turbidez del agua de la ciénaga
después del tratamiento usando sulfato de
aluminio.
En la tabla 3, se presenta el análisis de varianza (Anova).
Si el valor P es < 0,05 el factor analizado influye sobre la variable
respuesta objeto de estudio, cuando el valor P es > 0,05 el factor no tiene
ninguna incidencia.
Tabla 3.
Análisis de varianza (Anova) para el
sulfato de aluminio.
Statgraphics Centurion XVI.II, versión gratis en
línea.
El valor P = 0,0250 de la tabla 3 identifica que la
dosis de coagulante, sulfato de alumnio, incide sobre la turbidez del agua de
la ciénaga de Malambo.
El test de Duncan es utilizado para determinar la
diferencia significativa que existe entre las medias de los niveles de un
factor. Para seleccionar la mejor dosis de coagulante, sulfato de alumnio, se
utiliza la tabla 4 donde la única X que no se encuentra
alineada en los grupos homogéneos es la dosis de 10 mg/l, indicando que a esta
concentración de coagulante químico, se presenta la más alta turbidez del agua
de la ciénaga de Malambo. Por lo tanto, se podrá emplear indistintamente las
dosis de 20, 40, 60, 80 y 100 mg/l para obtener la menor turbidez. Al tratarse
de una sustancia nociva para la salud humana [5]-[9], se debe emplear la menor cantidad posible,
20 mg/l de sulfato de aluminio, que disminuyó la turbidez del agua objeto de
estudio a un valor de 1,8 UNT y se
obtuvo una reducción del 96 %. Cumpliendo con la turbidez establecida por la Resolución 2115 de 2007 de agua potable [28].
Tabla 4.
Test de Duncan para el
sulfato de aluminio.
Statgraphics Centurion XVI.II, versión
gratis en línea.* Indica
diferencia significativa.
Como han demostrado otros investigadores, en el año 2010, una dosis de 30 mg/l de sulfato de aluminio, disminuye la turbidez de un agua sintética en un 95 %, con lo que se obtiene una turbidez final de 0,8 UNT [12].
Durante el 2016 se encontró que el tratamiento con sulfato de aluminio reduce la turbidez del agua de la corriente de Cavouco en Brazil, en un 56,52 %; inicialmente es de 37,95 UNT y finaliza en 16,5 UNT [32].
Para el agua del río Magdalena, con una turbidez de 276 UNT, se utiliza una dosis de 35 mg/l de sulfato de aluminio, con lo que se obtiene una turbidez final de 0,55 UNT. Este valor cumple con la normativa colombiana de agua para consumo humano [33]. Bajo estas características, se remueve el 99,8 % de este parámetro.
Finalizado el proceso con el coagulante químico, sulfato de aluminio, se simuló nuevamente la clarificación usando como coagulante las semillas de Moringa oleífera. El diseño factorial se realizó como se muestra en la tabla 1 y los resultados de turbidez después del tratamiento se presentan en la tabla 5.
Tabla 5.
Turbidez del agua de la ciénaga
después del tratamiento usando semillas de Moringa
oleífera.
El análisis de
varianza (Anova) se da a conocer en la tabla 6, donde el valor P = 0,3171 indica que no existe ninguna
influencia del factor, dosis de coagulante, sobre la turbidez del agua de la
ciénaga de Malambo.
Tabla 6.
Análisis de varianza (Anova) para las semillas de Moringa oleífera.
Statgraphics Centurion XVI.II, versión gratis en
línea.
En la Tabla 7, se muestra el test de Duncan para el coagulante natural.
Todas las X se encuentran alineadas en el grupo homogéneo, indicando que no se presenta ninguna incidencia en la turbidez del agua objeto de estudio, según las dosis que se adicionen. Cualquiera de las 6 dosis de coagulante natural 750, 770, 790, 810, 830 y 850 mg/L pueden ser empleada en el tratamiento del agua de la cienga de Malambo y se obtendra la menor turbidez posible al emplear este material vegetal. Sin embargo, con estos valores no se cumple con la legislación colombiana de agua para consumo humano [28].
Con una dosis de
la menor cantidad de sustancia natural, 750 mg/L, se generó una reducción de la
turbidez del agua del 64 %. Esta información coincide con ensayos preliminares
elaborados en el año 2013, en la India, usando agua sintética, que establecen
que para este tipo de semillas la dosis óptima oscila entre 250 y 1000 mg/L, y
al emplear una dosis de 750 mg/L se remueve la turbidez en un 76,3 % [4].
Tabla 7.
Test de Duncan para
las semillas de Moringa oleífera.
Statgraphics Centurion XVI.II versión gratis en línea.* Indica
diferencia significativa
En el Reino Unido, en el año 2010, se utilizó agua sintética para demostrar que una dosis de 750 mg/L de estas semillas, puede reducir la turbiedad del agua en un 91,6%. Las características iniciales y finales de la misma son 160 y 13,6 UNT, respectivamente [12].
Las semillas de Moringa oleífera tienen un porcentaje de remoción de turbidez entre el 75-90 %, cuando la turbidez inicial es alta, aproximadamente 200 UNT. Por el contrario, si la turbidez es baja, 40 UNT, el porcentaje de remoción alcanza el 50 % [34].
Las semillas de Moringa oleífera tienen un porcentaje de
remoción de turbidez entre el 75-90 %, cuando la turbidez inicial es alta,
aproximadamente 200 UNT. Por el contrario, si la turbidez es baja, 40 UNT, el
porcentaje de remoción alcanza el 50 % [34].
En el año 2009, en Ruanda (África oriental), una remoción de la turbidez del 99,8 % se obtiene con semillas de Moringa oleífera disueltas en un extracto de sal, NaCl, con una dosis de 125 mg/l usando agua del río Kadahokwa que tiene una turbidez inicial de 450 UNT. En este mismo estudio, se confirma que para una turbidez inicial baja, 50 UNT, se necesita una mayor dosis de coagulante, 150 mg/l, usando agua del río Rwamanba, pero se obtiene una remoción del 95,0 % [35].
En la presente investigación, el sulfato de alumino removió 96 % la turbidez del agua de la ciénaga de Malambo, mientras que el coagulante natural lo hizo en un 64 %. Al tratarse solo del proceso de clarificación (coagulación, floculación y sedimentación), las semillas de Moringa oleífera son una alternativa viable de bajo costo y sin efectos nocivos para el ser humano.
4. Conclusiones
El coagulante natural de semillas de Moringa oleífera, tienen un poder coagulante que puede reducir a la mitad la turbidez inicial del agua de la ciénaga de Malambo-Atlántico.
El sulfato de aluminio comercial tipo B, es un coagulante químico efectivo para llevar la turbidez a valores menores de una unidad.
El coagulante químico utilizado en este estudio, es mucho más efectivo que el coagulante natural empleado para reducir la turbidez del agua de la ciénaga. Sin embargo, las semillas de Moringa oleífera, por su baja toxicidad, son una alternativa para reemplazar parcialmente al sulfato de aluminio.
Se recomienda realizar el montaje del test de jarras y preparar la solución coagulante de manera instantánea, en cada repetición para evitar las variaciones en los resultados.
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