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1. INTRODUCCIÓN
La generación de aguas residuales es una consecuencia inevitable de las actividades humanas. Estas actividades modifican las características de las aguas de partida, contaminándolas e invalidando su posterior aplicación para otros usos, debido a que posee características que deben ser tratadas debido a la “presencia de impurezas como sólidos suspendidos, materiales colorantes, microorganismos, materia orgánica, gases disueltos, minerales entre otros” [1], por lo cual, los tratamientos en las aguas residuales resultan indispensables para garantizar la disponibilidad de este recurso.
En Colombia, la principal fuente de contaminación hídrica es la evacuación directa de aguas residuales, ya sea proveniente de las residencias, fábricas, minas y demás actores contaminantes, siendo la principal fuente la extracción de materia prima en el ganado bovino, del cual se obtiene la piel y el cuero utilizado en el proceso productivo de las industrias curtiembres [2], en donde durante el desarrollo del proceso se generan aguas residuales que presentan altos niveles de alcalinidad, solidos disueltos y suspendidos, metales pesados como el cromo trivalente y hexavalente, pH elevados, aceites y grasas y altas demandas de DBO5 y DQO [3]. Es por ello que existen variadas sustancias y métodos para la clarificación del agua tanto en el proceso de potabilización como para plantas de tratamiento para aguas residuales; dentro de estos tratamientos se incluyen los procesos de coagulación, floculación y sedimentación.
El proceso de coagulación consiste en la formación de pequeñas partículas mediante la adición de un coagulante al agua y la aplicación de energía de mezclado, que desestabiliza las partículas suspendidas por neutralización de las cargas de coloides cargados negativamente [1] en donde se utiliza frecuentemente coagulantes inorgánicos, que en su mayoría alteran las propiedades fisicoquímicas del agua.
Una de las opciones consideradas para poder alcanzar altos niveles de calidad del agua tratada y desempeño del proceso es el uso de los coagulantes alternativos que han surgido en las últimas décadas.
En la actualidad, “los más comunes para el tratamiento de aguas son compuestos inorgánicos de aluminio o hierro como el sulfato de aluminio, aluminato de sodio, sulfato ferroso, sulfato férrico y cloruro férrico” [1]; sin embargo, estos compuestos químicos son arrastrados durante la sedimentación de los lodos ya que estos están constituidos por dichas sustancias que alteran los procesos naturales presentes en las fuentes de aguas a las cuales son vertidos”, [4,5] lo cual se convierte en un problema ambiental, ya que en altas dosis pueden llegar a ser tóxicos. No obstante, al inicio de los años setenta, en varios países latinoamericanos se propuso utilizar coagulantes naturales extraídos de especies vegetales o animales nativos” [6,7], como alternativa a los coagulantes convencionales utilizados.
Investigaciones realizadas reportaron que las semillas de la planta Moringa oleífera presenta propiedades coagulantes que no induce a cambios significativos de los valores de pH y conductividad del agua después de su tratamiento [8,9-15]. Asimismo, se reportaron investigaciones para aguas efluentes de las industrias textileras en la India donde se reporta que la Ipomoea dasysperma del género Ipomoea [11] , podrían proporcionar un método sostenible de efluente de tratamiento, siendo de bajo costo y fácilmente disponibles en países en desarrollo puesto que pueden ser localmente cultivados, cosechados y procesados, que tienen el potencial para ser rentable en comparación con los productos químicos importados. Los coagulantes naturales pueden ser alternativas viables a polielectrolitos sintéticos, ya que son biodegradables, seguros para la salud humana y tienen un rango de dosis efectiva más amplio para la floculación de varias suspensiones coloidales [9,12].
Debido a lo anterior se evaluaron los coagulantes naturales obtenidos a partir de Ipomoea incarnata y Moringa oleífera para la depuración de aguas residuales industriales en Cartagena de Indias. Para ello se sometieron a procesos físicos y químicos de extracción por medio del equipo soxhlet donde se extrajo el musilago de las especies de plantas Ipomoea incarnata y Moringa oleífera, para así corroborar la eficiencia de remoción de turbidez de los coagulantes extraídos de plantas con respecto a los coagulantes convencionales utilizados para la depuración de aguas residuales industriales.
2. METODOLOGÍA
Para evaluar los coagulantes naturales obtenidos de las semillas de Ipomoea incarnata y Moringa oleífera con respecto a los coagulantes convencionales utilizados para la depuración de aguas residuales industriales, se siguieron las siguientes etapas:
2.1 Toma de muestra
Para la recolección de las semillas de Ipomoea incarnata se determinaron tres (3) sustratos: María La Baja, El Rodeo, Mamonal [13], para muestrear y obtener información de la especie. Para la obtención de semillas de Moringa oleífera se seleccionaron los lugares: Manzanillo del mar, Villa Grande y Soplaviento como zonas de recolección para muestrear y obtener información de la especie.
En cuanto a las muestras de agua se seleccionaron tres (3) tipos de agua residual: 1. Agua preparada en el laboratorio a partir de muestras de suelo provenientes de la Isla de Tierra Bomba ubicada en el departamento de Bolívar. Para la preparación de la solución se disolvió la muestra de suelo en 6 litros de agua. 2. Aguas de sentinas y 3. Agua derivada de curtiembres.
2.2 Análisis de muestras
Preparación de la semilla. Se obtuvieron semillas de Ipomoea incarnata y Moringa oleífera, las cuales se retiraron manualmente de las vainas secas no poseen ninguna actividad de coagulación [4]. Las semillas colectadas se secaron durante una hora en un horno a 105 °C, y se trituraron, hasta obtener un polvo fino [14].
Extracción del coagulante. Se extrajo musilago de la semilla Ipomoea incarnata y Moringa oleífera, durante 24 horas con n-hexano en un extractor tipo Soxhlet [5].
Prueba de jarras. Para evaluar los coagulantes, se procedió a realizar una prueba de jarras con los siguientes coagulantes para determinar la eficiencia de remoción de turbidez, los cuales son:
Sulfato de aluminio (Al2 (SO4)3)
Sulfato de cobre (CuSO4)
Sulfato de hierro III (Fe2 (SO4)3)
Sulfato de hierro II (FeSO4)
Ipomoea incarnata
Moringa oleífera
Se procedió a medir la turbiedad de la muestra a analizar, la cual se distribuyó en 6 beakers de 1000 mL. A cada muestra se le añadió un coagulante diferente con la misma concentración de 50 mg/L, solución determinada para el ensayo mediante el pesado de 50 mg del coagulante disolviéndolo en 1 litro de agua destilada, posteriormente se colocaron los beakers en el aparato de test de jarras a 200 rpm durante 1 minuto para la mezcla rápida. Después se disminuyó la velocidad a 45rpm durante 15 minutos. Consecutivamente se detuvo el agitador y se dejó sedimentar durante 15 minutos. Por último, se midió la turbiedad final en cada una de las jarras, utilizando el turbidímetro marca Velt TB1, previamente calibrado y se determinó el coagulante con mayor eficiencia de remoción. Asimismo, se midió el pH de cada muestra, utilizando el peachímetro marca STARTER300 [15].
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Como se muestra en la tabla 1, el componente principal de la mezcla de alcaloides es la amida de ácido Dlisérgico, principio activo de las plantas de la familia convilvulaceae [15].
Tabla 1. Propiedades coagulantes de la Ipomoea incarnata.
Table 1 Coagulant properties of Ipomoea incarnata.
| Alcaloides | Ipomoea incarnata % de concentración |
|---|---|
| Amida de ácido D-lisérgico(ergina) | 0.031 |
| Amida del ácido d-isolisérgico (isoergina) | 0.004 |
| Chanoclavina | 0.005 |
| Elimoclavina | 0.005 |
| Lisergol | 0.001 |
| Ergometrina | 0.005 |
Fuente: Martínez C.; Hernández A; Simancas E.; Ayala J.; Carraballo K.; Coagulantes naturales extraídos de Ipomea Incarnata en el tratamiento de aguas residuales industriales en Cartagena de Indias. Scientia et technical, 22 (1); 109-113.
También se identificaron ciertas clavinas como la elimoclavina y el lisergol con valores de 0.005 y 0.001 % respectivamente.
En cuanto a la Moringa oleífera se ha encontrado a través de la literatura que el componente activo de la semilla que causa la coagulación del agua es una proteína soluble que actúa en el proceso como un polielectrolito catiónico natural [16].
Para evaluar los coagulantes extraídos de las plantas Ipomoea incarnata y Moringa oleífera se estudiaron los parámetros pH y turbidez, los cuales permiten determinar hasta qué punto se debe tratar el agua para que cumpla con las condiciones establecidas según la norma 0631 de 2015: Por la cual se establecen los parámetros y los valores límites máximos permisibles en los vertimientos puntuales a cuerpos de aguas superficiales y a los sistemas de alcantarillado público y se dictan otras disposiciones (lo que se garantiza en los procesos de coagulación, floculación y sedimentación), en las diferentes muestras de agua residual industrial a analizar.
A partir de allí, se determinaron las características fisicoquímicas del agua residual preparada en el laboratorio obteniendo una turbiedad inicial de 920 NTU y un pH de 8,31. Al aplicar la prueba de jarras y la dosis propuesta de coagulante se observó que los coagulantes naturales, Ipomoea incarnata y Moringa oleífera lograron alcanzar un porcentaje de remoción de turbidez en un 99,18% y 99,29% respectivamente, en comparación con los coagulantes convencionales como se muestra en la tabla 2.
Tabla 2. Condiciones finales del agua artificial.
Table 2 Final conditions of water artificially prepared.
| Coagulantes | pH Final | Turbidez Final (NTU) | %de remoción |
|---|---|---|---|
| Sulfato de aluminio (Al2(SO4)3) | 7,71 | 8,62 | 99,06 |
| Sulfato de cobre (CuSO4) | 7,77 | 17,86 | 98,06 |
| Sulfato de hierro III (Fe2(SO4)3) | 7,63 | 8,17 | 99,11 |
| Sulfato de hierro II (FeSO4) | 7,85 | 12,07 | 98,69 |
| Ipomoea incarnata | 7,96 | 7,51 | 99,18 |
| Moringa oleífera | 7,99 | 6,54 | 99,29 |
Asimismo, en la tabla 2 se muestra el comportamiento del pH de los distintos coagulantes, datos que se obtuvieron a partir de promedio de diferentes repeticiones en la misma muestra, se observa que el coagulante a base de Moringa oleífera e Ipomoea incarnata tienden a mantener el valor inicial del pH del agua (7,99 y 7,96 respectivamente), mientras que la muestra de agua tratada con sulfato de aluminio bajo el pH (7,71).
De igual manera, se tomó como muestra de agua residual industrial las aguas de sentinas provenientes de los buques. Esta muestra fue tomada en una planta de tratamiento compacta que se encarga de recuperar el aceite que contienen estas aguas.
Dentro de las características fisicoquímicas presentó una turbidez inicial de 20 NTU y un pH de 8,34.
La tabla 3 muestra las condiciones finales de los valores obtenidos a partir de un promedio realizado a la misma muestra del agua de sentinas después de haber sido tratada con los diferentes coagulantes. En general, se observa que los coagulantes de origen natural Ipomoea incarnata y Moringa oleífera presentaron mayor porcentaje de remoción de turbidez en comparación con los coagulantes químicos, siendo estos de 77,25% y 81,35% respectivamente. Además, se logró observar que los coagulantes naturales ayudaron a la remoción del color que presentaba esta muestra de agua.
Tabla 3. Condiciones finales del agua de sentinas.
Table 3 Final conditions of water from ships.
| Coagulantes | pH Final | Turbidez Final (NTU) | % de remoción |
|---|---|---|---|
| Sulfato de aluminio (Al2(SO4)3) | 6,98 | 5,91 | 70,45 |
| Sulfato de cobre (CuSO4) | 6,93 | 19,63 | 1,85 |
| Sulfato de hierro III (Fe2(SO4)3) | 6,89 | 4,91 | 75,45 |
| Ipomoea incarnata | 6,9 | 4,55 | 77,25 |
| Moringa oleífera | 7,09 | 3,73 | 81,35 |
Dentro de los coagulantes químicos el que presentó mayor porcentaje de remoción fue el sulfato de aluminio con un valor de 70,45% que equivale a una turbidez final de 5,91 NTU, asimismo se presentó una turbidez de 19,6 UNT (sulfato de cobre (CuSO4)) siendo el menor valor obtenido bajo las condiciones planteadas.
También se presentan los valores promedios de pH medido en la muestra de agua de sentinas donde se observa que los coagulantes químicos tienden a bajar este parámetro.
Cabe recalcar que en el caso del agua de sentinas no se tomaron resultados del sulfato de hierro II (FeSO4) debido que hubo inconsistencias con el instrumento de medición.
En cuanto a la muestra de agua de curtiembre se determinó una turbidez inicial de 786 NTU y un pH de 13,05. Siendo este último un parámetro importante debido a que puede “afectar la eficacia del proceso de coagulación, debido a que influye directamente en el proceso de clarificación del agua, porque permite determinar las condiciones óptimas para lograr la formación de flóculos capaces de precipitar. Además, se sabe que el alumbre es efectivo como coagulante, específicamente cuando el agua a tratar tiene un pH entre 5,5 y 8 [12]” y que el coagulante extraído de la moringa se encuentra alrededor del pH óptimo (6,5) [9].
Evidenciando lo anterior en la tabla 4 donde se muestra que se obtuvieron rangos de remoción de turbidez muy bajos, tanto para los coagulantes naturales como para los convencionales.
Tabla 4. Condiciones finales del agua de curtiembre.
Table 4 Final conditions of water tannery.
| Coagulantes | pH Final | Tubidez Final (NTU) | % de remoción |
|---|---|---|---|
| Sulfato de aluminio (Al2(SO4)3) | 12,89 | 759 | 3,44 |
| Sulfato de cobre (CuSO4) | 12,92 | 547 | 30,41 |
| Sulfato de Hierro III (Fe2(SO4)3) | 12,95 | 541 | 31,17 |
| Sulfato de hierro II (FeSO4) | 12,95 | 367 | 53,31 |
| Ipomoea incarnata | 13,03 | 745 | 5,22 |
| Moringa oleífera | 12,89 | 750 | 4,58 |
Los resultados obtenidos de turbiedad en las muestras de agua indican que los coagulantes naturales presentan una capacidad de remoción similar a los compuestos inorgánicos de aluminio o hierro por lo que resultan como una excelente alternativa en la remoción de turbiedad en aguas residuales industriales, resultados que coincide con Sandoval (2013) [17], demostrando la efectividad de la semilla de Moringa oleífera obteniendo un porcentaje de remoción con valores superiores al 90%, lo que se constituye como un método de tratamiento competitivo con las sales metálicas de sulfato de aluminio, abriendo posibilidades de sustitución de este coagulante químico por los efectos a la salud que genera su utilización.
Sin embargo, al evaluar la muestra de agua de curtiembres se observaron rangos de remoción de turbidez muy bajos, lo que se debe a que la muestra de agua era del proceso de descarne con alto contenido de cal (pH de 13,05), parámetro que influye directamente en el proceso de coagulación, de acuerdo con Díaz (2014) [9] la efectividad del coagulante natural es ligeramente influenciado por el pH evidenciándose este en la muestra de curtiembre.
De manera general estos resultados confirman que la Ipomoea incarnata y Moringa oleífera se pueden utilizar como posibles alternativas de origen natural en la depuración de aguas residuales industriales, ya que no sólo garantizan la eficiencia de remoción de turbidez en el proceso de coagulación, “sino que además tienen un valor agregado relacionado con las características de biodegradabilidad que lo convierten en una alternativa viable desde el punto de vista ambiental” [18], debido a que no los lodos generados por los coagulantes de origen natural son biodegradables [12], caso contrario con los coagulantes convencionales, según Ndabigengesere y col. (1998) [4], el uso de coagulantes convencionales como el sulfato de aluminio aumenta la generación de lodos residuales con alta carga contaminante.
Además, se evidenció efectos en el cambio del pH en las muestras de agua residual industrial, debido a que el uso de sales de hierro y aluminio producen un descenso de este parámetro como lo señala Flórez (2010) (9) por lo que es necesario adicionar grandes cantidades de estabilizadores de pH en el proceso de tratamiento del agua residual para establecer los valores permisibles por la norma 0631 de 2015. Sin embargo, para los datos relaciones con el pH en las muestras con coagulantes naturales, se demuestra la estabilidad para este parámetro, lo que resulta una gran ventaja de los coagulantes extraídos de Ipomoea incarnata y Moringa oleífera, debido a que no afectan considerablemente las características originales de la muestra, datos que corroboran los resultados de Díaz (2014) [9], que menciona que el pH de las muestras tratadas con coagulante natural no tuvieron cambios significativos luego de la aplicación de la dosis.
4. CONCLUSIONES
Se destaca el potencial que presentan los coagulantes naturales para el tratamiento de aguas residuales a nivel industrial, prueba de esto, es el alto rendimiento que presentaron los coagulantes naturales evaluados frente a los que existen en el mercado, demostrando que son una excelente alternativa en la remoción de turbiedad en aguas residuales industriales, debido a que el porcentaje de remoción de turbidez fue superior al 75% comparados con los resultados obtenidos por los coagulantes convencionales.
Sin embargo, en la muestra de agua de curtiembre no se observó mayor variación en la remoción de turbidez debido al pH básico que presento la muestra, no obstante, si se le realiza un proceso de titulación con ácido sulfúrico disuelto para llevar el agua a un pH neutro se podría obtener mejores resultados.
Asimismo, el pH de las muestras tratadas con coagulantes naturales no tuvo cambios significativos lo que es una ventaja sobre los coagulantes convencionales, debido a que no se requiere de procesos de estabilización del pH y por ende menor gasto económico.
