Análisis del proceso de coagulación de un agua residual usando un coagulante natural y un coagulante químico
Duran, Zulma1; Roa, Rubiel2; Coronel, Dario3; Alvarado, Andrés4
1,2,3 Universidad Nacional Abierta y a Distancia, Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente 4Fundación Universitaria del Trópico Americano
1 INTRODUCCION
El tratamiento del agua residual es una de las mayores deficiencias en saneamiento que sufre Colombia, en todo el país el porcentaje de agua que se trata es de solo el 43.5% y la mayoría solo hacen tratamientos primarios (Superservicios & DNP, 2013).
El departamento de Casanare no es ajeno a esta realidad, aunque sus 19 municipios cuentan con plantas de tratamiento, la realidad es que la mayoría de éstas no funcionan correctamente porque están subdimensionadas o sin mantenimiento y solo el 27% de agua se trata (Superservicios & DNP, 2013). Aparte de las aguas residuales municipales se suman las aguas industriales o aquellas que se generan en comunidades no conectadas a los alcantarillados municipales.
Aunque el tratamiento biológico tiene demostrada eficiencia en remoción de materia orgánica y sólidos suspendidos, también es común sobre todo para aguas industriales o de sistemas de tratamiento compactos, el uso de los coagulantes químicos, principalmente el sulfato de aluminio y el cloruro férrico. Como alternativa a los coagulantes químicos se ha explorado el uso de coagulantes naturales como el quitosano (Romero, Pérez, Silveira, & Ferreira, 2016), (Donato, Navarro, & Mendizabal, 2006), el balso blanco (Malvaviscus arboreus), malvavisco (Heliocarpus popayanensis) y cactus trepador (Hylocereus undatus) (Ramírez, Suárez, & Ramírez, 2011); semillas de algarrobo (Hymenaea Courbaril) (Mas, Martinez, Carrasquero, Rincón, & Vargas, 2012); semillas de moringa, entre otros, los cuales se contemplan como una alternativa de tratamiento a aguas potables y residuales, es así como se ha experimentado con extractos acuosos de Moringa oleifera para el tratamiento de agua potable (Mendoza, Fernández, Ettiene, & Díaz, 2000) y de aguas residuales (Morales, Méndez, & Tamayo, 2009).
En Colombia se ha impulsado la siembra del árbol de moringa para uso medicinal y agrícola, además participa en un 1% en la producción de biocombustibles, con una proyección del 4% al 2030, en Casanare se identifica la zona sur como potencial área de cultivo (Castro, 2013), aunque sus mayores usos no se proyectan para tratamiento de agua, el hecho de su disponibilidad en el departamento, lo convierten en un recurso valioso para tratamientos alternativos del agua.
Este proyecto evalúa el uso de la semilla de la moringa oleifeira adecuada como coagulante, para el tratamiento de aguas residuales de tipo doméstico. Se presentan los resultados de un ensayo de coagulación en los que para una muestra se comparó la remoción de turbiedad y color con un coagulante comercial y otro elaborado a partir de la moringa, adicionalmente se comparó el efecto en otros parámetros de calidad del agua como pH, temperatura, alcalinidad y se comparan los resultados con otros estudios similares como los de Morales Avelino, Méndez Novelo, & Tamayo Dávila, (2009); Díaz, Roa, & Tordecilla, (2014).
2 METODOLOGIA
2.1 Toma de muestras
Este proyecto desarrollo análisis de laboratorio con una muestra de agua residual cruda de la PTAR del Corregimiento de Paso Cusiana del Municipio de Tauramena.
2.2 Adecuación de coagulante natural
La semilla utilizada se adquirió de un cultivo de plantas de Moringa en el Municipio de Maní ubicado al sur del departamento de Casanare.
Para la preparación de las soluciones de extracto crudo a partir de semillas de moringa se tomaron 100 semillas, éstas fueron peladas y maceradas hasta obtener un polvo fino de color amarillento. El polvo fino (10 g) se disolvió en 1.000 ml de agua destilada para trabajar con una solución madre de al 1%.
2.3 Ensayos de coagulación y floculación
La evaluación de la coagulación se llevó a cabo utilizando la prueba de jarras; se agregó 1 litro de agua residual a cada uno de los vasos de 1.000 ml. Posteriormente, se procedió a agregar el coagulante y se determinó la dosis óptima y el pH óptimo. La prueba se desarrolló siguiendo la Norma Técnica Colombiana 3903.
Las concentraciones evaluadas para el coagulante natural de Moringa oleifera fueron de 250, 500, 750, 875, 1000 y 1250 ppm, mientras que para el coagulante químico sulfato de aluminio se probaron las concentraciones de 125, 250 y 375 ppm. El coagulante químico se evaluó en tres dosis solamente ya que de éste se conocía según pruebas anteriores las dosis a las que presentaba buenos resultados.
Para ajustar el pH 5.0, 7.0 y 9.0 de la muestra se utilizó Ácido Sulfúrico al 0.1N e Hidróxido de Sodio al 1N.
2.4 Análisis físico-químicos
La medición de parámetros de calidad del agua se realizó utilizando un pHmetro Hanna, la turbiedad se determinó con un Turbidimetro, el color se midió con un espectrofotómetro y la alcalinidad con un kit Hanna HI 3811.
3 RESULTADOS
3.1 Características de la muestra analizada
Los parámetros fisicoquímicos iniciales de la muestra de agua cruda se presentan en la tabla 1.
Tabla 1.
Valores iniciales de los parámetros fisicoquímicos del agua cruda.
En cuanto a estos datos se puede decir que el pH está en un rango optimo, la turbiedad si se compara con lo exigido para agua de consumo humano (2UNT) presenta un valor muy alto, la alcalinidad es baja lo cual no interfiere significativamente en la calidad del agua, el color tiene un alto valor en comparación al valor requerido para agua potable.
3.2 Determinación de Dosis óptima
3.2.1 Turbiedad
La turbiedad como indicador de calidad del agua permite evaluar la eficiencia en procesos de coagulación y adicionalmente estimar el posible impacto negativo que un agua puede tener sobre la productividad primaria de un ecosistema acuático.
La gráfica 1 muestra el comportamiento de este parámetro con diferentes concentraciones de coagulante, para el coagulante natural se observa una tendencia inversamente proporcional entre la dosis y la turbiedad, es así como a mayor dosis se alcanzó una mejor remoción de este parámetro. Mientras que por el contrario con el coagulante químico a dosis más pequeñas hubo mayor remoción de turbiedad.
Gráfica 1. Remoción de turbiedad - coagulante natural vs coagulante químico
Para una turbiedad inicial de 24.6 UNT el valor mínimo de turbiedad residual obtenido con coagulante natural fue de 6.5 UNT, correspondiendo a una remoción del 74.6% de la turbiedad inicial presente en el agua cruda. Lo cual indica que esta fue la dosis óptima para esta muestra de agua residual.
Tabla 2.
Valores de turbiedad después del ensayo de jarras con M. oleifera
En la tabla 3 se muestra el comportamiento de la turbiedad residual después del tratamiento con Sulfato de Aluminio a concentraciones de 125, 250 y 375 ppm. Para una turbiedad inicial de 24.6 UNT, el valor mínimo de turbiedad residual obtenido fue de 1.70 UNT, correspondiendo a una remoción de 93.1%. Esto indico una dosis de 125 ppm para el coagulante químico.
Tabla 3.
Valores de turbiedad después del ensayo de jarras con Sulfato de Aluminio
3.2.2 Color
El color al igual que la turbiedad tuvo un comportamiento similar en cuanto a las dosis óptimas para cada tipo de coagulante. Para un color inicial de 319 UPC el valor mínimo de color obtenido fue de 83 UPC para coagulante de moringa oleífera, cuya dosis óptima fue de concentración de 1000 ppm. La remoción total fue del 74% del color inicial presente en el agua residual cruda.
Gráfica 2 Remoción de color - coagulante natural vs coagulante químico
La tabla 4 muestra los valores obtenidos de remoción de color con coagulante natural, para lo cual no hubo remoción con la concentración más baja de 500ppm.
Tabla 4.
Valores de color después del ensayo de jarras con M. oleifera
En la tabla 5 se muestra el comportamiento del color residual después del tratamiento con Sulfato de Aluminio a concentraciones de 125, 250 y 375 ppm. Para un color inicial de 319 UPC, el valor mínimo de color residual fue de 23 UPC, el cual se obtuvo a una concentración de 125 ppm. La remoción total fue del 92.8% del color inicial presente en el agua residual cruda.
Tabla 5.
Valores de color después del ensayo de jarras con Sulfato de Aluminio
Por consiguiente la diferencia entre un coagulante y el otro al momento de evaluar este parámetro es notoria ya que la M. oleífera disminuye menos el color y en mayor concentración que el sulfato de aluminio.
3.3 Determinación del pH Óptimo
3.3.1 pH óptimo Moringa Olifeira
La concentración más baja del coagulante que remueve la mayor cantidad de turbiedad y color se consideró como la concentración óptima. La concentración óptima para el valor de turbiedad inicial de 24.6 UNT y color inicial de 319 UPC, corresponde a 1000 ppm, es decir la dosis de 80 ml.
En la tabla 8 se muestra el comportamiento de la turbiedad residual después del tratamiento con M. oleifera a valores de pH de 5.0, 7.0 y 9.0. Para una turbiedad inicial de 24.6 UNT, el valor mínimo de turbiedad residual de 5.01 UNT, se obtuvo de la muestra ajustada a un valor de pH 7.0.
Tabla 8.
Valores de turbiedad después del ensayo de jarras
Con el pH optimo se removió el 79.6% de la turbiedad inicial presente en el agua residual cruda.
En la tabla 9 se muestra el comportamiento del color residual después del tratamiento con M. oleifera a valores de pH de 5.0, 7.0 y 9.0. Para un color inicial de 319 UNT, el valor mínimo de color residual fue de 65 UNT y se obtuvo de la muestra ajustada a un valor de pH 7.0.
Tabla 9.
Valores de color después del ensayo de jarras
Después del proceso de coagulación y con pH de 7.0 se removió el 79.6% del color inicial presente en el agua residual cruda.
3.4 Impactos en la calidad del agua
3.4.1 pH
En la tabla 6 se muestra el comportamiento del pH de los distintos tratamientos, se observa que los tratamientos a base de Moringa tienden a mantener el valor inicial de pH del agua de 6.5, mientras que las aguas tratadas con Sulfato de Aluminio bajan el pH a 4.1, valores por debajo de lo exigido en la norma de vertimientos vigente.
Tabla 6.
Valores de pH después del ensayo de jarras
La gráfica 3 muestra como el coagulante químico disminuye significativamente el valor de pH de la muestra, mientras que el coagulante natural mantiene el valor en el rango de la neutralidad.
Gráfica 3 Valores de pH después del proceso de coagulación
3.4.2 Alcalinidad
Los valores de alcalinidad variaron durante el tratamiento del agua con las diferentes concentraciones de M. oleifera y Sulfato de Aluminio en comparación con los valores presentados antes del tratamiento. Como se observa en la tabla 7, la muestra tratada con Moringa oleífera tiende a subir el valor de alcalinidad, mientras que la muestra sometida al tratamiento con Sulfato de Aluminio la disminuye.
Tabla 7.
Valores de alcalinidad después del ensayo de jarras
La alcalinidad al ser un parámetro que mejora la capacidad buffer del agua, es positivo un leve aumento a concentraciones que no superen los 250mg/L, en este sentido es positivo el efecto del coagulante natural, mientras que el coagulante químico disminuye drásticamente este parámetro.
Gráfica 4 Efecto de la coagulación en la Alcalinidad
4 ANALISIS DE RESULTADOS
4.1 Dosis optimas y niveles turbiedad
Turbiedad
Los resultados obtenidos demuestran la eficiencia que tiene la semilla de M. oleífera para niveles de turbidez bajos como la como lo señala Lédo et, al, (2009) ya que esta tiene características catiónicas que contribuyen a la disminución de este parámetro, los datos obtenidos en este ensayo generaron un porcentaje de remoción del 74,6%; que comparado con los resultados de Mendoza et al., (2000) demostraron la efectividad de la semilla disminuyendo la turbidez en un 83,2% en niveles bajos de este parámetro. Por otra parte la concentración del coagulante apta para alcanzar el porcentaje de remoción optimo fue de 1000 ppm que relacionada con los datos de Mendoza et, al (2000) son parecidos, no obstante las condiciones del coagulante difieren en el tipo de tratamiento que se le dio a la semilla para su uso como coagulante, éste generó extracción de la parte coagulante activa de la semilla reportando que por cada gramo de M. oleífera disuelto en agua se extraen 1000 ppm de la proteína catiónica, demostrando que nuestro ensayo genera mayor eficiencia al no generar extracción de la parte coagulante activa sino de su uso sin tratamiento previo. Por otra parte Muyibi & Okuofu (1995) han reportado que diferentes dosis de M. oleífera obtienen porcentajes de remoción superiores al 50%. Otro valor importante en el tratamiento de las aguas residuales ha demostrado que los porcentajes de remoción pueden incluso alcanzar el 95% en turbidez alta de hasta 500 UNT como lo señala Mera et al., (2016).
Color
La disminución de color por parte del coagulante tubo una diferencia de 236 UPC demostrando la eficiencia de la semilla para este parámetro acorde con Mendoza, et al., (2000) que demostraron que cualquier concentración de la semilla de M. oleífera ayuda a la disminución de color residual; sinembargo en los resultados obtenidos no se presentó reducción para la dosis más baja evaluada de 500ppm y con la más alta se inició una disminución en el porcentaje de remoción, lo que indica que existe un punto de inflexión donde la dosis de moringa deja de tener un efecto coagulante.
4.2 Efectos en la calidad del agua
El uso de sulfato de aluminio como coagulante disminuye la alcalinidad en el agua tratada, datos que corroboran los reportes de Murillo (2011), mientras que el uso de M. oleífera como coagulante provoca un leve aumento en la concentración de la alcalinidad.
Alcalinidad
La variación en los datos obtenidos para este parámetro no se superó los 250 mg/L, se mantuvo en un nivel de 120mg/L, lo cual representa una actividad buffer importante, sin llegar a alterar la calidad del agua de forma negativa.
pH
Los datos relacionados con el pH demostraron una estabilidad para este parámetro en las diferentes concentraciones de la semilla manteniendo la muestra en un pH entre 6 y 7 resaltando que la aplicación no modifica considerablemente el potencial de hidrogeno, sin embargo los resultados obtenidos por Ledo et al, (2009) mostraron que la semilla de Moringa no altera sus condiciones de coagulación en pH ácidos (6.4) o alcalinos (8.0) generando datos de 2.0 UNT y 0,5 UNT respectivamente, esto denota una independencia del pH con el proceso de coagulación. Por otra parte los datos obtenidos corroboran los resultados de Gómez (2015) que mencionan que el tratamiento con M. oleífera mantiene el pH entre un rango de 6,5 y 8,5 y contrastan con el Sulfato de Aluminio ya que este disminuye de una forma rápida el pH.
El uso de coagulantes químicos como sulfato de aluminio aumenta la generación de lodo residual (Ndabigengesere, Narasiah y Talbot, 1995), mientras que el uso de coagulante natural si bien genera un sedimento este no es contaminante, ya que es materia orgánica de fácil descomposición y tratamiento.
5 CONCLUSIONES
Se encontró como pH óptimo de coagulación con Moringa oleifeira el valor de 7 y una dosis optima de 1000ppm, en cambio para coagulante Sulfato de aluminio la dosis optima fue de 125ppm, para el sulfato de aluminio se ha reportado un rango de pH óptimo de coagulación entre 6.5 y 8.0 (Cardenas, 2000).
El coagulante natural a partir de semillas de moringa oleífera no altera la calidad del agua de la muestra de forma significativa, lo que permite un ahorro en químicos para regular pH antes del vertimiento y adicionalmente no genera lodos y concentraciones trazas de metales como el aluminio y el hierro presentes en los coagulantes químicos.
Si bien la eficiencia de remoción de turbiedad es mayor con un coagulante químico, con las remociones obtenidas del coagulante natural se cumple con una eficiencia mayor al 70%, lo cual es significativo si se tiene en cuenta que a nivel rural se puede obtener fácilmente este coagulante.
BIBLIOGRAFÍA