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Introducción
Cifras de la Organización Mundial de la Salud indican que cerca de 2100 millones de personas carecen de agua potable en sus hogares y más del doble no dispone de saneamiento seguro debido a la carencia de infraestructura básica (OMS 2017). En diversas regiones del mundo, la captación de agua pluvial mediante almacenes rústicos artificiales es la principal alternativa para proveer de este líquido a pequeñas comunidades rurales, pero su calidad con frecuencia no cumple con los requisitos sanitarios mínimos para el consumo humano, debido a la elevada concentración de partículas suspendidas y agentes patógenos, representando en consecuencia un problema de salud pública local (Cardozo et al. 2013).
Para remover las partículas suspendidas en el agua se emplean métodos de coagulación que consisten en la adición de compuestos químicos y/o biológicos, para desestabilizar las partículas presentes y aglutinarlas en flóculos con un peso específico mayor al del agua, por lo que al sedimentarse pueden removerse (Mani et al. 2019). Los coagulantes comúnmente empleados en países en vías de desarrollo son la cal, el cloruro férrico, el ácido sulfúrico, poli electrólitos y el sulfato de aluminio (Saritha et al. 2017), siendo este último el más empleado por su eficiencia y relativa economía (Sandoval y Laines 2013); no obstante, algunos estudios relacionan la acumulación de residuos de aluminio en los lodos de sedimentación con la prevalencia de trastornos neuronales como el Alzheimer y Parkinson que disminuyen la capacidad motora y mental (Rondeau et al. 2000, Wang et al. 2016, Bondy 2016). Alternativamente, se han propuesto tratamientos para el saneamiento de aguas mediante el empleo de compuestos vegetales biodegradables, ya sea de manera separada o bien mezclados con sales minerales, como los polisacáridos provenientes de Cactus lefaria, Opuntimma ficusindica, Plantago psyllium, Malva sylvestris, Hibiscus esculentus y Moringa oleífera Lam (Yin 2010, Sotheeswaran et al. 2011, Feria et al. 2014, Mera et al. 2016). En ambos casos se han obtenido resultados satisfactorios en términos de coagulación, disponibilidad y economía (Dalen et al. 2010, Shan et al. 2017, Cardozo et al. 2018).
Uno de los coagulantes naturales más empleados proviene del extracto de la semilla de M. oleifera, que contiene cantidades considerables de aminoácidos polares con carga neta positiva y negativa (Villaseñor et al. 2018, Ferreira 2020). Estas moléculas pueden interactuar con las partículas coloidales responsables de la turbiedad y el color durante el proceso de clarificación de las aguas, contribuyendo de esta forma a la eliminación de las mismas (Campos et al. 2003), su empleo ha sido documentado en múltiples trabajos (Mendoza et al. 2000, Santana et al. 2010, Delelegn et al. 2018). Una ventaja adicional es la plasticidad genética de la planta para tolerar condiciones de sequía y altas temperaturas, pudiendo cultivarse bajo diferentes condiciones de clima y suelos, lo cual favorece la disponibilidad local de la semilla (Olson y Fahey 2011). El extracto de semillas de M. oleifera ha sido aplicado bajo diferentes formas y concentraciones, encontrando resultados variables en su efecto coagulante cuando se aplica solo (Mendoza et al. 2000, Rondón et al. 2017), o bien en combinación con otros coagulantes como el sulfato de aluminio (Sandoval y Laines 2013). En ambas condiciones se han obtenido eficiencias superiores al 90% en la reducción de la turbiedad. Por su parte, Ndabigensere y Narasiah (1996), determinaron que la producción de lodo residual es menor a la obtenida con sulfato de aluminio, pudiendo ser empleados como abono orgánico, sin contaminar los suelos. Bajo este enfoque, el objetivo de este estudio fue comparar la eficiencia de remoción de la turbiedad en el agua a partir del uso de semillas de M. oleifera y sulfato de aluminio en forma separada y en combinación a diferentes concentraciones.
Materiales y métodos
Toma de muestras
Las muestras de agua procedieron de un estanque artificial con una profundidad promedio de 2.5 m, localizado en una finca rural del municipio de Zirándaro, Guerrero. El agua que ingresa al estanque proviene de los escurrimientos superficiales intermitentes, que son recolectados durante los meses de junio a noviembre. Al momento de la toma de muestra de agua (obtenida a 1 m de profundidad), en el mes de febrero de 2018, se determinaron mediante un equipo multiparámetro marca Hanna Instruments H196130 los siguientes parámetros: pH (9.5), conductividad eléctrica (22 µ cm−1), turbiedad (61 NTU), sólidos totales disueltos (0.30 ppm), temperatura (28°C) y oxígeno disuelto (20 mg L−1). Posteriormente se trasladó a laboratorio para los estudios de floculación.
Recolección y preparación del extracto de semillas
Para la preparación de los tratamientos se cosecharon semillas maduras de M. oleífera obtenidas de una plantación local, adyacente al estanque; éstas se descascararon y secaron a temperatura ambiente (25 °C) por 24 h, para luego triturarlas en mortero de porcelana y pasarlas por un tamiz de 2 mm de apertura. A partir del tamizado se tomaron 20 g para proceder a la extracción de lípidos, realizada en el Laboratorio de servicios externos de la Facultad de Química UAEMéx, considerando la normatividad vigente (SSA 2000).
Para la preparación de las soluciones coagulantes, se empleó la metodología propuesta por Sandoval y Laines (2013). Se requirieron 4 g de harina de semilla de M. oleífera libre de aceites y 4 g de sulfato de aluminio para la preparación de las diferentes mezclas experimentales de acuerdo a los siguientes tratamientos: a) Control (C) sin floculante; b) SA 100% (2g de sulfato de aluminio), c) MO 100 (2 g M. oleífera); d) SAMO 70/30 (1.5 g de sulfato de aluminio / 0.5 g de M. oleífera); e) SAMO 30/70 (0.5 g de sulfato de aluminio / 1.5 g de M. oleífera). Las mezclas se diluyeron en 50 mL de agua destilada, fueron agitadas por 15 min a 100 rpm y se depositaron en frascos ámbar de 250 mL debidamente identificados.
Test de jarras
Mediante la prueba del test de jarras se procedió a determinar el tratamiento coagulante óptimo, considerando un diseño experimental al azar con una solución testigo y cuatro tratamientos experimentales con cinco repeticiones por tratamiento (n = 25). A cada vaso se le agregaron 500 mL de agua y 2.5 mL de la solución tratamiento. Para homogeneizar las muestras, se utilizó una placa de agitación marca Corning a 150 rpm durante 3 minutos. Se midieron los valores de turbiedad, pH, temperatura, conductividad eléctrica a los 60, 120 y 180 minutos, y alcalinidad a los 180 minutos. El análisis estadístico se realizó mediante el software SPSS 17, aplicando las pruebas de ANOVA de una vía para probar la igualdad de medias entre tratamientos y la comparación de medias de Tukey (p > 0.01) para determinar diferencias significativas entre tratamientos.
Resultados y discusión
Remoción de la turbiedad
Se identificaron diferencias estadísticas significativas (p > 0.01) entre los tratamientos y tiempos de sedimentación (Tabla 1). A los 60 minutos, los tratamientos SAMO 70/30 y SAMO 30/70 tuvieron la mayor eficiencia de remoción de la turbiedad con valores del 98.8 y 95%, respectivamente, mientras que la eficiencia fue menor cuando ambos coagulantes se emplearon de forma separada (< 90%), pre- sentando el menor desempeño SA 100, lo cual puede explicarse a partir estudios que demuestran su mayor eficiencia con un pH entre 5.5 y 8.0 (Ferreira 2020). Considerando que el pH de la muestra inicial de agua es superior a 9, es probable que ello influyera en la disminución de la eficiencia de coagulación de este agente químico.
Tabla 1 Valores de turbiedad y porcentaje de remoción en las muestras de agua a diferentes tiempos de exposición al floculante
| Tiempo (minutos) | ||||
| 0 | 60 | 120 | 180 | |
| Tratamiento | Turbiedad | (NTU) | Remoción | (%) |
| C | 150.00 | 39.9 a | 17.8 | 18.1 |
| 73.4 | 88.1 | 88.0 | ||
| SA-100 | 253.40 | 88.4 a | 3.5 c | 2.4 cd |
| 62.1 | 98.6 a | 99.1 a | ||
| MO-100 | 101.66 | 14.8 b | 13.3 b | 10.6 b |
| 85.4 a | 87.0 | 89.6 | ||
| SAMO 70/30 | 133.00 | 1.6 b | 1.5 c | 1.1 cd |
| 98.8 | 98.9 | 99.2 | ||
| SAMO 30/70 | 127.60 | 6.4 b | 5.2 c | 4.52 c |
| 95.0 | 95.9 | 96.50 | ||
C: Tratamiento control, SA: sulfato de aluminio, MO: extracto de semilla de M. oleífera. Medidas con letras iguales dentro de cada columna no difieren estadísticamente (Tukey, p < 0.01)
A los 120 y 180 minutos de sedimentación, los tratamientos SA 100, SAMO 70/30 y SAMO 30/70 tuvieron eficiencias superiores al 98%, este dato es consistente con lo reportado por Dalen et al. (2010) y Cardozo et al. (2013), quienes indican que la mezcla de M. oleifera con soluciones salinas mejora el efecto de coagulación debido al incremento de la solubilidad de las proteínas por acción de las sales. En el presente estudio, el mejor desempeño de M. oleifera como coagulante único se obtuvo hasta los 180 minutos, por lo que se corrobora el supuesto anterior. Cabe destacar que a lo largo del experimento, la eficiencia de coagulación del tratamiento MO 100 fue significativamente inferior a los demás tratamientos experimentales. De acuerdo a los niveles establecidos por la normatividad mexicana (SSA 2000), los tratamientos SA100, SAMO 70/30 y SAMO 30/70 cumplen con el requerimiento límite permisible de 5 NTU de turbiedad, no así el tratamiento MO, que finaliza a los 180 minutos con 10.60 UTN.
Efectos sobre otros parámetros fisicoquímicos en el agua
Resultó evidente que en aquellos tratamientos en los que se empleó sulfato de aluminio a cualquier concentración, se observaron efectos significativos sobre la reducción del pH del agua con respecto al testigo (Figura 1), denotando que a mayor concentración de sulfato de aluminio, se incrementó el efecto acidificante en el agua. El tratamiento MO 100 no registró diferencias significativas y conservó su pH próximo al inicial. Para MO 100 no se reporta pérdida de eficiencia relacionada con pH, pero la eficiencia de remoción de la turbiedad (85%), fue menor a la reportada en estudios consultados (Cardozo et al. 2013, Sandoval y Laines 2013).
Figura 1 Valores promedio (± DS) del pH para los diferentes tratamientos. Letras diferentes indican diferencias en los tratamientos (Tukey, p < 0.01)
La conductividad eléctrica (Figura 2), se situó entre 0.2 y 0.42 mS m−1. El análisis estadístico de los datos no denotó diferencias significativas entre tratamientos, excepto para SAMO 70/30. Las pruebas de alcalinidad obtenidas únicamente al termino de los 180 minutos (Figura 3), indican una disminución significativa para el tratamiento SAMO 70/30 (72 + 3.16 mg L−1), sobre los tratamientos restantes. Con respecto a estos parámetros, los valores observados se sitúan dentro de los rangos permisibles por la normatividad vigente, por lo que ninguno de los tratamientos empleados altera su condición.
Figura 2 Valores promedio (± DS) de la conductividad eléctrica para los diferentes tratamientos y tiempos de sedimentación. Letras diferentes indican diferencias en los tratamientos (Tukey, p < 0.01)
Figura 3 Valores promedio (± DS) de alcalinidad en los tratamientos experimental a los 180 minutos. Letras diferentes indican diferencias en los tratamientos (Tukey, p < 0.01)
Considerando los resultados del estudio, la combinación del extracto de semillas de M. oleifera y sulfato de aluminio proporcionan la mayor eficiencia en términos de remoción de partículas suspendidas (> 95%) y tiempo de floculación (60 minutos). La aplicación individual del extracto de semillas de M. oleifera tuvo un efecto coagulante significativamente inferior (< 90%) y mayor tiempo de sedimentación (180 minutos), mientras que el máximo efecto para el sulfato de aluminio se consiguió a los 120 minutos de sedimentación. Bajo esta perspectiva, la mezcla de ambos agentes coagulantes tiene dos importantes connotaciones: reducir el tiempo del proceso de coagulación-sedimentación y mejorar el efecto individual de ambos agentes. De manera alternativa, es factible reducir el consumo de sulfato de aluminio hasta en un 75% con respecto a su aplicación habitual, disminuyendo tanto los costos como el daño potencial a la salud humana por su acumulación en los sedimentos
