UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS
FACULTAD DE AGRONOMÍA
CARRERA DE INGENIERÍA AGRONÓMICA
TESIS DE GRADO
EVALUACIÓN DE AGUAS RESIDUALES BAJO EL TRATAMIENTO A DIFERENTES TEMPERATURAS DE COAGULACION- FLOCULACION CON SEMILLAS DE DURAZNO (Prunus pérsica), TUNA (Opuntia ficus indica) y CASCARA DE PAPA (Solanum tuberosum) DEL RIO JILLUSAYA.
Presentado por:
Pablo Daniel Quino Quispe
La Paz – Bolivia
2019
UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS
FACULTAD DE AGRONOMÍACARRERA DE INGENIERÍA AGRONÓMICA
EVALUACION DE AGUAS RESIDUALES BAJO EL TRATAMIENTO A DIFERENTES TEMPERATURAS DE COAGULACION - FLOCULACION CON SEMILLAS DE DURAZNO (Prunus pérsica), TUNA (Opuntia ficus indica) y CASCARA DE PAPA (Solanum tuberosum) DEL RIO JILLUSAYA.
Tesis de grado para obtener el título de: Licenciatura en Ingeniería Agronómica
Presentado por: PABLO DANIEL QUINO QUISPE
ASESORES:
Lic. Cynthia Lara Pizarroso ………
Ing. M. Sc. Isidro Callizaya Mamani ………
REVISORES:
Ing. M. Sc. Rubén Jacobo Trigo Riveros ………
Dr. Luis Mario Montaño Riveros ………
Ing. Fanny Bertha Arragan Tancara ………
Bo. Vo. ……… PRESIDENTE DEL TRIBUNAL
La Paz – Bolivia 2019
DEDICATORIA
A mis queridos padres
Guillermo y Virginia por los esfuerzos y sacrificios para brindarme una profesión que es la mejor herencia que pudieron darme y por su apoyo incondicional en mi desarrollo personal y profesional.
A mis tíos Edén, Juan y Jesús por su apoyo, confianza, comprensión y cariño que siempre me han demostrado.
AGRADECIMIENTOS
Eterno agradecimiento a la Facultad de Agronomía dependiente de la Universidad Mayor de San Andrés por haberme acogido y formado en sus aulas.
Agradecer a mi asesora Lic. Cinthya Lara Pizarroso quien colaboro desinteresadamente en todo el proceso del presente trabajo con la paciencia y sabiduría que a caracteriza, siendo el apoyo fundamental para mi formación como profesional.
A mi asesor: Ing. Isidro Callizaya Mamani, por haber confiado en mí para la realización de este trabajo, por el apoyo brindado la orientación constante y por todas las correcciones realizadas para el desarrollo y culminación de este trabajo.
Al Ing. Rubén Jacobo Trigo Riveros del área de las ciencias químicas por el apoyo, asesoramiento y corrección de este trabajo.
Al Dr. Luis Mario Montaño Riveros por ser la guía constante en la culminación impecable de este documento.
A la Ing. Fanny Bertha Arragan Tancara por la contribución de sus conocimientos del área para la elaboración del presente trabajo.
A mis amigos de la carrera y personas que directa e indirectamente colaboraron en la realización del presente trabajo.
RESUMEN
El presente trabajo tuvo por objetivo evaluar muestras de agua del Rio Jillusaya después de ser tratadas a diferentes temperaturas de coagulación - floculación con especies vegetales y sulfato de aluminio.
Siendo la coagulación y floculación un proceso físico, hubo mayor impacto en la alteración de parámetros físicos iniciales que presentaron las muestras de agua, como ser turbiedad, solidos totales y solidos suspendidos, sin embargo, se mostró cambios poco considerables en parámetros químicos como solidos disueltos, conductividad eléctrica, pH, cationes y aniones.
Para el estudio se tomó como alternativa los vegetales como coagulantes y floculantes naturales comparándolo con un coagulante químico como el sulfato de aluminio siendo el más utilizado para este fin, el propósito del mismo fue dar una alternativa al uso de sulfato de aluminio ya que este tiene repercusiones negativas a la salud como el cáncer. En este estudio se considera que la temperatura es un factor determinante en cuanto a la eficacia de coagulación y floculación de los sólidos presentes en el agua, por lo cual se hizo las pruebas correspondientes a diferentes temperaturas, tomando como temperatura inicial la temperatura ambiente del laboratorio como se 19°C, incrementando la temperatura en 22°C y 25°C para los tratamientos siguientes.
Los parámetros físicos con mejor resultado se obtuvieron con el coagulante químico, sin embargo mostro resultados similares el almidón de cascara de papa, el coagulante químico respondió de mejor manera a temperaturas más elevadas como 25 °C y los vegetales respondieron de mejor manera a temperaturas ambiente como 19°C, así el factor temperatura es determinante en el proceso de coagulación y floculación.
En cuanto a solidos disueltos, pH y conductividad eléctrica, los cuales están ligados entre sí dando como producto la salinidad, dureza y otros parámetros de segundo grado, los mismos tuvieron un variación positiva en algunos casos después de la aplicación de diferentes coagulantes naturales, señalando que el sulfato de aluminio mostro una
elevación de la concentración de solidos disueltos y aumentando la conductividad eléctrica y disminuyendo el pH a rangos más ácidos debido al aluminio presente.
El comportamiento de aniones y cationes fueron los menos afectados debido a que este tratamiento es de naturaleza física, con la certeza de que los coagulantes vegetales a diferentes temperaturas de coagulación mostraron disminución de concentraciones de cationes y aniones de manera ligera, los resultados más eficientes en estos parámetros se obtuvieron con la aplicación de sulfato de aluminio.
Todos estos parámetros fueron comparados inicialmente con los límites permisibles del Reglamento en Materia de Contaminación Hídrica de la Ley Medio Ambiente N°1333, observando que algunos parámetros cambiaron de aguas de tipo clase C a aguas de tipo clase A y B, después de la aplicación de coagulantes vegetales y/o químicos, también sucedió el proceso inverso de cambio de clase de agua con algunos tratamientos.
INDICE DE CONTENIDO Páginas 1. INTRODUCCION ... 1 Objetivo General: ... 3 Objetivos Específicos: ... 3 2. REVISION BIBLIOGRÁFICA ... 4 2.1Recurso Agua ... 4 2.2Agua Residual ... 4
2.3Características del Agua de los Ríos de La Paz ... 4
2.4Calidad del Agua ... 5
2.5Calidad del Agua para Uso Agrícola ... 5
2.6Indicadores de Calidad de Agua ... 7
2.6.1 Índice de Turbiedad ... 7
2.6.2 Potencial de Hidrogeno (pH) ... 8
2.6.3 Conductividad Eléctrica (C.E.) ... 8
2.6.4 Solidos Totales ... 9
2.6.5 Cationes ... 10
2.6.6 Aniones ... 12
2.6.7 Relación Absorción Sodio ... 13
2.7Normas para Clasificación del Agua para uso Agrícola ... 14
2.7.1 Norma Riverside ... 14
2.7.2 Reglamento en Materia de Contaminación Hídrica ... 15
2.8Coloides como Coagulantes Vegetales ... 15
2.8.1 Clasificación de los Coloides ... 15
2.8.2 Estabilidad de los Coloides ... 15
2.9Operaciones de Coagulación y Floculación ... 17
2.9.1 Etapas de Coagulación ... 19
2.9.2 Factores que Afectan la Coagulación de la Turbidez ... 19
2.10Coagulantes Floculantes más Comunes ... 21
2.10.1 Coagulantes Metálicos ... 21
2.10.2 Coagulantes Floculantes Naturales ... 22
2.11Pruebas de Tratabilidad ... 27
2.11.1 Prueba de Jarras ... 27
2.11.2 Descripción del Equipo de Prueba de Jarras ... 28
3. LOCALIZACION ... 29
3.1 Ubicación Geográfica del Área de Muestreo ... 29
3.1 Características Ecológicas ... 29
3.1.1 Clima ... 29
3.1.3 Vientos ... 30 3.1.4 Suelos ... 30 3.1.5 Geología ... 30 3.1.6 Fauna y flora ... 30 4. MATERIALES Y METODOS ... 31 4.1 Materiales ... 31 4.1.1 Materiales de Campo ... 31 4.1.2 Materiales de Laboratorio ... 31 4.1.3 Reactivos ... 33 4.1.4 Material Vegetal ... 33 4.1.5 Material de Gabinete ... 33 4.1Metodología ... 34
4.2.1 Compilación de los Coagulantes Vegetales ... 34
4.2.2 Caracterización de los Coagulantes Vegetales ... 35
4.2.4 Muestreo de Agua del Rio Jillusaya ... 37
4.2.5 Tratamiento del agua (simulación de prueba de jarras) ... 40
4.2.6 Análisis Físico – Químico de Aguas Turbias Residuales Tratadas ... 42
4.2.6.1 PH (Potencial de Hidrogeno). ... 42 4.2.6.2 Índice de turbiedad. ... 42 4.2.6.3 Conductividad eléctrica. ... 43 4.2.6.4 Solidos totales (ST). ... 43 4.2.6.5 Calcio y magnesio ... 44 4.2.6.6 Sodio y Potasio. ... 45 4.2.6.7 Carbonatos y Bicarbonatos. ... 45 4.2.6.8 Cloruros. ... 45 4.2.7Diseño Experimental ... 46 5. RESULTADOS Y DISCUSIONES ... 47
5.1Características Físico Químicas de los Coagulantes Vegetales ... 47
5.1.1 Porcentaje de Humedad en los Coagulantes Vegetales ... 47
5.1.2 Cantidad de Lípidos de los Coagulantes Vegetales ... 47
5.1.3 Concentración de Cenizas en los Coagulantes Vegetales ... 47
5.2 Características Físico Químicas de las muestras de agua después de los tratamientos ... 48
5.2.1 Índice de Turbiedad ... 48
5.2.2 pH (Potencial de hidrogeno) ... 51
5.2.3 Conductividad Eléctrica (C.E.) ... 54
5.2.4 Solidos Totales (ST) ... 57
5.2.5 Solidos Totales Suspendidos (STS) ... 60
5.2.6 Solidos Totales Disueltos (STD) ... 63
5.2.7 Sodio ... 66
5.2.8 Calcio ... 70
5.2.10 Potasio ... 76
5.2.11 Carbonatos y Bicarbonatos ... 79
5.2.11 Cloruros ... 82
5.2.12 Relación Absorción sodio (RAS) ... 85
6. CONCLUSIONES ... 88
7. RECOMENDACIONES ... 89
8. BIBLIOGRAFIA ... 90 ANEXOS
INDICE DE CUADROS
Páginas Cuadro 1. Distribución codificada de los tratamientos en el diseño
experimental……… 46
Cuadro 2. Análisis de porcentaje de humedad en los coagulantes vegetales… 47 Cuadro 3. Análisis de porcentaje de lípidos en los coagulantes vegetales……. 47
Cuadro 4. Análisis de cenizas en los coagulantes vegetales……… 48
Cuadro 5. Análisis de varianza para índice de turbiedad………... 50
Cuadro 6. Test: Duncan Alfa= 0,05 para la Índice de turbiedad……… 50
Cuadro 7. Análisis de varianza para la determinación de potencial de hidrogeno (pH)………. 53
Cuadro 8. Test: Duncan Alfa= 0,05 para potencial de hidrogeno……….. 53
Cuadro 9. Análisis de varianza para la conductividad eléctrica a 25 °C…………. 55
Cuadro 10. Test: Duncan Alfa= 0,05 para Conductividad eléctrica a 25°C……… 56
Cuadro 11. Análisis de varianza Solidos totales (mg/L)………. 58
Cuadro 12. Test: Duncan Alfa= 0,05 para Solidos totales (mg/L)………. 59
Cuadro 13. Análisis de varianza para solidos totales suspendidos………. 62
Cuadro 14. Test: Duncan Alfa= 0,05 para la solidos totales suspendidos………... 62
Cuadro 15. Análisis de varianza para solidos totales disueltos………. 65
Cuadro 16. Test: Duncan Alfa= 0,05 para la solidos totales disueltos……… 66
Cuadro 17. Análisis de varianza para concentración de Sodio………. 68
Cuadro 18. Test: Duncan Alfa= 0,05 para la Sodio (mg/L)……… 69
Cuadro 19. Análisis de varianza para concentración de calcio………. 71
Cuadro 20. Test: Duncan Alfa= 0,05 para la concentración de calcio………. 72
Cuadro 21. Análisis de varianza para concentración de magnesio………. 74
Cuadro 22. Test: Duncan Alfa= 0,05 para la concentración de magnesio………. 75
Cuadro 23. Análisis de varianza para concentración de potasio……….. 77
Cuadro 24. Test: Duncan Alfa= 0,05 para la concentración de potasio……… 78
Cuadro 25. Análisis de varianza para concentración de bicarbonatos………. 80
Cuadro 26. Test: Duncan Alfa= 0,05 para concentración de bicarbonatos………. 81
Cuadro 27. Análisis de varianza para concentración de cloruros………. 83
Cuadro 28. Test: Duncan Alfa= 0,05 para la concentración de cloruros………….. 84
Cuadro 29. Análisis de varianza para la relación absorción sodio……… 86
INDICE DE FIGURAS
Páginas
Figura 1. Ubicación del punto de muestreo……… 38
Figura 2. Toma de muestra de agua superficial……… 38
Figura 3. Medición de caudal método flotador………... 39
Figura 4. Ochenta litros de muestra cerrada……….. 40
Figura 5. Tratamiento testigo con sulfato de aluminio a diferentes temperaturas……….. 41
Figura 6. Tratamiento con almidón de cascara de papa a diferentes temperaturas……….. 41
Figura 7. Tratamiento con pencas de tuna a diferentes temperaturas………….. 41
Figura 8. Tratamiento con semillas de durazno a diferentes temperaturas…….. 42
Figura 9. Muestras tratadas debidamente rotuladas para análisis físico- químico……… 43
Figura 10. Índice de turbiedad promedio después de la aplicación de diferentes coagulantes vegetales a diferentes temperaturas……… 48
Figura 11. Potencial de hidrogeno (PH) después de tratamientos con diferentes coagulantes a diferentes temperaturas……….. 51
Figura 12. Conductividad eléctrica después de tratamientos con diferentes coagulantes a diferentes temperaturas……….. 55
Figura 13. Solidos totales después de los tratamientos con diferentes coagulantes a diferentes temperaturas……….. 57
Figura 14. Solidos totales suspendidos después de los tratamientos con diferentes coagulantes a diferentes temperaturas………... 61
Figura 15. Solidos totales disueltos después de los tratamientos con diferentes coagulantes a diferentes temperaturas……….. 64
Figura 16. Concentración de sodio después de los tratamientos con diferentes coagulantes a diferentes temperaturas……….. 67
Figura 17. Concentración de calcio después de los tratamientos con diferentes coagulantes a diferentes temperaturas……….. 70
Figura 18. Concentración de magnesio después de los tratamientos con diferentes coagulantes a diferentes temperaturas………... 73
Figura 19. Concentración de potasio después de los tratamientos con diferentes coagulantes a diferentes temperaturas……….. 76
Figura 20. Concentración de bicarbonatos después de los tratamientos con diferentes coagulantes a diferentes temperaturas………... 79
Figura 21. Concentración de cloruros después de los tratamientos con diferentes coagulantes a diferentes temperaturas………... 82
Figura 22. Relación absorción sodio después de los tratamientos con diferentes coagulantes a diferentes temperaturas……….. 85
1 1. INTRODUCCION
El agua sin duda es el recurso esencial para la supervivencia de la humanidad, para el desarrollo económico, sanitario y social de las poblaciones así como para el mantenimiento del equilibrio ambiental de los ecosistemas.
Conforme las industrias van evacuando aguas contaminadas a los ríos del país, los cauces naturales alteran su composición química física y en algunos casos con efectos graves aguas abajo.
Esto conlleva que la calidad de las aguas sea mala para el uso agropecuario, parámetros como solidos suspendidos, disueltos, gases se encuentran en mayores concentraciones que podrían ocasionar efectos negativos a quien lo use aguas abajo.
La ley de Medio Ambiente N° 1333, bajo el Reglamento en Materia de Contaminación Hídrica, clasifica los cuerpos de agua en cuatro clases A, B, C y D, las tres primeras se consideran aptas para riego de hortalizas de consumo crudo y de frutas de pepita y carozo, que sean digeridas crudas; mientras que la clase D, no se considera apta para riego.
La presente investigación tiene el propósito de evaluar la posibilidad técnica y ambiental de utilizar coagulantes-floculantes naturales en la remoción de la turbidez de las aguas del Rio Jillusaya de la localidad de Cota Cota, la que consiste en aplicar un sistema de tratamiento primario con el uso de “energías limpias” como coagulantes de origen vegetal semillas de durazno, pencas de tuna y almidón de cascara papa, con la aplicación de tres temperaturas al agua en este proceso.
La coagulación-floculación es el proceso físico principal más importante debido a la decantación de los sólidos presentes en el agua, esto se traduce en una transparencia del líquido.
La floculación se puede definir como la aglutinación de partículas desestabilizadas por la coagulación, el propósito de la floculación es a su vez eliminar partículas de color,
2 turbiedad y bacterias en grandes copos, ya sea como precipitados o partículas en suspensión.
Los coagulantes juegan un papel altamente importante en el tratamiento de agua potable, especialmente para el consumo del ser humano y no menos importante en las actividades agropecuarias.
El sulfato de aluminio utilizado en la potabilización de aguas y la alúmina, son los coagulantes químicos más comunes utilizados en el proceso de coagulación; Sin embargo, algunos inconvenientes se han señalado sobre la conveniencia de introducir aluminio en el medio ambiente, ya que induce la enfermedad de Alzheimer, enfermedad causada debido a las propiedades cancerígenas de éste elemento.
En la actualidad la disponibilidad de agua es cada vez más restringida para fines de consumo en el mundo, el 2013 la Contraloría General del Estado emitió un informe de auditoría ambiental respecto a la contaminación en la cuenca del Rio La Paz, el cual con el empleo del índice de calidad de agua (ICA) en la cuenca de Achumani, Rio Irpavi muestran una calidad mala en el rango del ICA, por lo cual es más limitada para el uso en el riego por sectores colindantes, por ello es necesario optar por la reutilización de aguas con altos niveles de turbiedad de los ríos de La Paz, caso de estudio del Rio Jillusaya, para luego utilizar en riego y otros usos, de esta manera contribuir con la eficiencia del uso de aguas residuales.
Es importante probar el uso de energías limpias con vegetales nativos, para el tratamiento de aguas turbias – residuales, y no así adoptar el uso de químicos como los sulfatos que son altamente cancerígenos.
Por lo señalado el presente estudio plantea el uso de coagulantes de origen vegetal con la variación de temperatura aplicada al proceso y analizar los efectos positivos o negativos que repercutirá en los cambios de los parámetros estudiados.
3 Por todo lo mencionado, el presente trabajo planteo alcanzar:
Objetivo General:
- Evaluar muestras de aguas residuales del Rio Jillusaya sometido a tratamiento en diferentes temperaturas de coagulación - floculación con semilla de durazno, pencas de tuna y almidón de cascara de papa.
Objetivos Específicos:
- Determinar las propiedades fisicoquímicas más relevantes de los tres coagulantes vegetales, el cual explicara su grado de intervención en los parámetros del agua. - Determinar parámetros fisicoquímicos de muestra de agua pre-tratamiento con el
propósito de mostrar la variación de los parámetros respecto a los datos iniciales. - Analizar parámetros fisicoquímicos de la muestra de agua post-tratamiento, con el uso
de diferentes coagulantes a diferentes temperaturas de coagulación.
- Determinar el coagulante vegetal y la temperatura óptima para el uso en tratamientos primarios de aguas turbias residuales.
4 2. REVISION BIBLIOGRÁFICA
2.1 Recurso Agua
El agua es la sustancia que más abunda en la tierra y es la única que se encuentra en la atmósfera en estado líquido, sólido y gaseoso. La mayor reserva de agua está en los océanos, que contiene el 97% del agua existente en la tierra, se trata de agua salada, que solo permite la vida de la flora y fauna marina. El resto es agua dulce, pero no toda esta disponible, gran parte permanece siempre helada, formando los casquetes polares y los glaciales, solo el 0,86% es utilizado para el ser humano en todos sus propósitos (FAO, 2010).
Medrano (2001), coincide con muchos autores en señalar que; el campo de aplicación especifico del recurso agua engloba todo aquello que trata de las disponibilidades hidro agrícolas, al igual que las otras actividades rurales consumidoras de agua (consumo humano y animal).
2.2 Agua Residual
El término agua residual define un tipo de agua que está contaminada o alterada con sustancias fecales y orina, procedentes de actividades humanas y heces fecales. Su importancia es tal que requiere sistemas de canalización, tratamiento y desalojo. Su tratamiento nulo o indebido genera graves problemas de contaminación (Dorea, 2006). Castañeda (2003), indica que; las aguas residuales son generadas en nuestras casas, en el lugar de trabajo, en los lugares públicos e industrias; se descargan a los sistemas de alcantarillado, como compuestos orgánicos (residuos fecales, orina, desechos de alimentos, grasas, aceites, papel, etc.), y en la actualidad con un importante incremento de productos químicos (metales, detergentes, sales, etc.).
2.3 Características del Agua de los Ríos de La Paz
El área urbana de la ciudad de La Paz se extiende a lo largo del canal principal de Río Choqueyapu y de sus efluentes principales (Orkojahuira, Irpavi y Achumani), contiene
5 170 vertederos con caídas de 1 a 4,5 metros, con descargas de 730 m3/mes o de 130 L/día/persona considerando residuos humanos, aguas grises, uso comercial con una carga de DBO5 de 35 g/día/persona (JICA, 1993). Las poblaciones cercanas, las industrias, los centros hospitalarios vierten sus residuos a lo largo de este río, que se ha convertido en una alcantarilla abierta que lleva los residuos aguas abajo.
Los estudios sobre las aguas del Río Choqueyapu y de los ríos Orkojahuira, Irpavi, Achumani y Huañajahuira indican que la calidad de aguas de estos ríos es similar a la que se observa en los afluentes a las plantas de tratamiento de aguas residuales, más que a las aguas de otros ríos (PROYECTO BOL 8/OO7, 2005).
2.4 Calidad del Agua
La calidad del agua es una variable fundamental del medio hídrico, tanto en lo que respecta a la caracterización ambiental, como desde la perspectiva de la planificación hidrológica. Este término puede responder a varias definiciones que se han visto reflejadas en la legislación a lo largo del tiempo.
Desde la perspectiva de su gestión, la calidad del agua se define por su uso final. Así, el agua para el recreo, la pesca, la bebida o como hábitat para organismos acuáticos requiere de mayores niveles de pureza, mientras que para obtener energía hidráulica, por ejemplo, las normas de calidad son mucho menos importantes. Sin embargo, debemos tener en cuenta que después de su uso el agua suele volver de nuevo al sistema hidrológico, de manera que si se deja sin tratamiento puede acabar afectando gravemente al medio (Terry, 2010).
2.5 Calidad del Agua para Uso Agrícola
La calidad del agua destinada al riego de plantas como frutales, legumbres, cereales entre otros, necesita satisfacer un patrón de calidad. En tal sentido, no debe contener sustancias como el boro y metales pesados que son tóxicos para el suelo y las plantas. En el caso de los vegetales que se consumen en estado crudo, estos deben ser regados con aguas que satisfagan criterios más estrictos especialmente en lo que respecta a los
6 parámetros microbiológicos, porque son muchas las enfermedades causadas por virus, bacterias, protozoarios o gusanos que se transmiten a través de esta vía (FAO,1985). Por su parte Aceves y Palacios (1994), menciona que la calidad del agua para riego es un término que se utiliza para indicar la conveniencia o limitación de su empleo con fines de riego de cultivos agrícolas, para cuya determinación generalmente se toman como base las características químicas del agua:
- La tolerancia de los cultivos a las sales - las propiedades de los suelos
- las condiciones de manejo de los suelos y aguas - las condiciones climatológicas.
Romero (2005), indica que: la aptitud del agua para uso agrícola depende de su efecto sobre el suelo y el cultivo, para mantener la calidad y productividad de los suelos cultivables, se debe controlar la calidad del agua para irrigación; la cual está influida principalmente por las siguientes características:
- Concentración total de sales solubles o salinidad.
- Proporción relativa de sodio con respecto a otros cationes.
- Concentración de boro y otros elementos que pueden ser tóxicos.
- En algunos casos, la relación entre la concentración de bicarbonatos y la dureza. La calidad del agua de riego está determinada por la concentración y composición de los constituyentes disueltos que contenga; por tanto la calidad del agua es una consideración importante para la investigación de las condiciones de salinidad o contenido de sodio intercambiable en cualquier zona de riego (Siles, 1999).
Romero (2005), indica que el tipo de agua que se utilice como agua de riego tiene dos efectos importantes:
7 - A largo plazo ciertas aguas pueden perjudicar al suelo hasta hacerlo totalmente
inservible para la agricultura. 2.6 Indicadores de Calidad de Agua
Para evaluar su aptitud con fines de riego, se debe hacer un muestreo representativo y luego en laboratorio, determinar parámetros físicos-químicos que ayudaran a determinar los indicadores para la calificación del agua de riego.
La calidad del agua de riego está relacionado al análisis y anticipo de cuatro problemas: Salinidad, permeabilidad, toxicidad (por absorción radicular y foliar) y otros problemas; dichos indicadores que contemplan lo anteriormente mencionado se clasifican en: Indicadores de primer grado e indicadores de segundo grado.
2.6.1 Índice de Turbiedad
La turbidez es la dificultad del agua, para trasmitir la luz debido a materiales insolubles en suspensión, coloidales o muy finos, que se presentan principalmente en aguas superficiales. Son difíciles de decantar y filtrar, y pueden dar lugar a la formación de depósitos en las conducciones de agua, equipos de proceso, etc. Además interfiere con la mayoría de procesos a que se pueda destinar el agua (Sáenz, 1993).
La principal causa responsable de la turbidez en el agua son arcillas, minerales, sedimentos, materia orgánica e inorgánica finamente dividida, plancton y otros organismos microscópicos, siendo las arcillas la causa más común de turbiedad (Zambrano, 1998).
El impedimento del brote de semillas, actividad fotosintética, crecimiento y reducción en adecuación para consumo (por ej., lechugas sucias). Los efectos, sin embargo, no están restringidos sólo a efectos biológicos, el exceso de sólidos suspendidos pueda también producir obstrucción de componentes mecánicos de sistemas de riego (Singletón, 1985). El uso permanente de aguas con altos niveles de turbiedad ocasionaría la impermeabilización del suelo, por su contenido en material orgánico e inorgánico en
8 suspensión específicamente arcillas, e cual reduciría la tasa de infiltración de una lámina de riego (Singletón, 1985).
Según la OMS (1989) la turbidez del agua para consumo humano no debe superar en ningún caso las 5 UNT, y estará idealmente por debajo de 1 UNT. Los sistemas filtrantes, de las plantas de tratamiento del agua para consumo humano deben asegurar que la turbidez no supere 1 UNT* (0.6 UNT para filtración convencional o directa).
2.6.2 Potencial de Hidrogeno (pH)
La concentración de hidrogeniones se expresa por el valor de pH, que indica el estado ácido o alcalino de una solución entre 0 a 14 (Mancilla, 2014).
Para Seoanes (1999), el pH es un parámetro que nos indica la concentración de protones (iones hidrogeno H+) presentes en una disolución acuosa; la expresión que nos da el pH de una disolución es una relación logarítmica.
2.6.3 Conductividad Eléctrica (C.E.)
La conductividad eléctrica refleja la capacidad del agua para conducir corriente eléctrica, varía en función de la temperatura y está directamente relacionada con la concentración de sales disueltas en el agua; por lo tanto, la conductividad eléctrica está relacionada con los sólidos disueltos totales TDS (Helmer,1999).
El mismo autor, menciona que la medida de la conductividad eléctrica se realiza in situ (inmediato) mediante un conductímetro provisto de célula de conductividad apropiada, expresado en diferentes unidades (Siemens/cm, mmhos/cm) y sus equivalencias son las siguientes:
1 dS/m = 1 mmhos/cm = 1000 μS/cm.
Para Vásquez (2000), la conductividad eléctrica, se determina en forma rápida y precisa y el agua utilizada para el riego tiene una CE normalmente entre 2,000 a 2,250 mmhos/cm, las escalas y límites son mostradas en los anexos correspondientes.
9 2.6.4 Solidos Totales
Los sólidos totales es la suma de los sólidos disueltos y en suspensión que la muestra de agua pueda contener. Se puede decir que las aguas naturales son un conjunto de agua con sólidos disueltos y suspendidos (Castañeda, 2003).
2.6.4.1 Solidos Totales Suspendidos. Los sólidos en suspensión es el material que se encuentra en fase sólida en el agua en forma de coloides o partículas sumamente finas, y que causa en el agua la propiedad de turbidez. Cuanto mayor es el contenido de sólidos en suspensión, mayor es el grado de turbidez (Pompilio, 2013).
A diferencia de los sólidos disueltos, estos pueden separarse con mayor o menor grado de dificultad por procesos mecánicos como son la sedimentación y la filtración. Analíticamente se determinan pasando un volumen medido de una muestra de agua a través de una cápsula la cual tiene una membrana o filtro con poros de 0.2 micrones dónde son retenidos los sólidos suspendidos, cuando se filtra la muestra de agua (Castañeda, 2003).
Las partículas o sólidos suspendidos se componen de material orgánico e inorgánico. El material orgánico es principalmente algas o microorganismos y el inorgánico son: arcillas, silicatos, feldespatos. Los límites admisibles propuestos por Castañeda se muestran en el Cuadro 10 del Anexo.
El alto contenido de sedimento suspendido en el agua de riego produce una reducción de la permeabilidad del suelo, problemas en germinación de semillas, obstrucción de aspersores y deterioro de bombas (Tapia, 2004).
2.6.4.2 Solidos Totales Disueltos. Los sólidos disueltos lo constituyen las sales que se encuentran presentes en el agua y que no pueden ser separados del líquido por algún medio físico, tal como: sedimentación, filtración, etc.
La presencia de estos sólidos no es detectable a simple vista, por lo que se puede tener un agua completamente cristalina con un alto contenido de sólidos disueltos.
10 La presencia de estos sólidos solo se detecta cuando el agua se evapora y quedan las sales residuales en el medio que originalmente contiene el líquido con un proceso de eliminación de humedad.
Analíticamente se miden pesando la cápsula con las sales residuales, unas vez que el agua ha sido evaporada, y conociendo el peso neto de la cápsula es posible determinar la cantidad de sólidos disueltos por diferencia de peso.
También es posible cuantificar los sólidos disueltos midiendo la conductividad del agua: los sólidos disueltos se encuentran en forma de cationes y aniones, por lo que éstos como partículas con carga pueden conducir la corriente eléctrica, y así pueden ser cuantificados indirectamente, con cierta precisión.
2.6.5 Cationes
Si se dispone de energía suficiente, es posible eliminar uno o más electrones de un átomo neutro, dejando una partícula de carga positiva que es algo menor que el átomo original, esta partícula cargada positivamente se llama catión, la combinación y proporcionalidad inadecuada de estos ocasionaría problemas de toxicidad a especies vegetales y mamíferos (Masterton, 1974).
En un análisis de aguas para riego agrícola se refleja los posibles problemas que causaría al cultivo interpretados en parámetros de segundo grado, es necesario determinar los siguientes cationes: Amonio (NH4+), Calcio (Ca+2), Magnesio (Mg+2), Sodio (Na+) y Potasio (K+), expresándolos en meq/L, para un análisis de calidad de agua y su posible salinidad (Vásquez, 2000).
2.6.5.1 Sodio. Es un toxico para los cultivos, produciendo quemaduras en las hojas disminuye la adsorción de calcio y magnesio, estimando que en concentraciones superiores de 200 – 300 mg/L son riegos para las plantas.
Cuando las aguas de riego contienen cantidades considerables de sodio en solución, este se acumula paulatinamente en el suelo y como consecuencia, el suelo se dé flocula
11 y pierde su estructura. También se pierden la permeabilidad, el agua y el aire del suelo, favoreciendo la formación de costras, indican Medrano (2001) y Rodríguez (2001). 2.6.5.2 Potasio. La presencia de potasio en el agua de riego no siempre es despreciable desde el punto de vista de aportación de este nutriente al suelo (Vásquez, 2000).
2.6.5.3 Calcio. El Calcio es un elemento químico que pertenece a los metales alcalino-térreos del grupo II a de la tabla periódica, es el elemento metálico más abundante en el cuerpo humano y el quinto elemento en orden de abundancia en la corteza terrestre. Un exceso de calcio se puede asociar a pH alcalino, el cual produce deficiencias de hierro, manganeso, cobre, boro y zinc. La deficiencia de calcio está generalmente asociada a efectos de acidez del suelo y muchas veces es difícil diferenciar una de la otra. Se establece una concentración de 200 mg/L para aguas destinadas al riego de vegetales, este valor guarda concordancia con lo que establece la Legislación Venezolana, lo cual especifica que a una las aguas a una concentración de 200 mg/L de calcio son aptas para riego de hortalizas, legumbres consumidas en crudo, frutas sin remoción de piel, riego de cultivos arbóreos, cereales y de forraje(Hernández, 2002). 2.6.5.4 Magnesio. Es muy abundante en la naturaleza, y se halla en cantidades importantes en muchos minerales rocoso, como la dolomita, magnesita, olivina y serpentina. Es el tercer metal estructural más abundante en la corteza terrestre, superado solamente por el aluminio y el hierro.
Se establece una concentración de Magnesio de 150 mg/L, para aguas destinadas al riego de vegetales, este valor es concordante con lo que establece la Ley General de Aguas en su clase III, sobre aguas destinadas al riego de vegetales de consumo crudo y bebidas de animales (Hernández, 2002).
12 2.6.6 Aniones
Pueden agregarse alternativamente electrones a ciertos átomos para formar especies de carga negativa que son algo mayores que el átomo del que se derivan, a estas partículas se las denomina aniones (Masterton ,1974).
En un análisis de aguas para riego, es necesario determinar los siguientes aniones: bicarbonato (HCO3-1), carbonatos (CO3-2), cloruro (Cl-1), fosfato (PO4-2), nitrato (NO3-1) y sulfato (SO4-2), y se expresan en meq/L. (Vásquez ,2000).
2.6.6.1 Cloruros. El cloruro, en forma de ion (Cl-1) es uno de los aniones inorgánicos principales en el agua natural y residual (Hernández, 2002).
La concentración de cloruros es una medida específica de la salinidad de las descargas de la industria petrolera, los cloruros son los principales componentes de las salmueras de petróleo. El incremento de cloruro en el agua ocasiona el aumento de la corrosividad del agua. El alto contenido de cloruros impide que el agua sea utilizada para el consumo humano o el ganado. Altos porcentajes de cloruros en los cuerpos de agua también pueden matar a la vegetación circundante (Metcalf, 1995).
La toxicidad por cloruro es muy común en agua de riego. El cloruro no es absorbido por el suelo, por lo que se moviliza con la solución de suelo, es captado por plantas y se acumula en hojas. Si su concentración en las hojas excede la tolerancia del cultivo, se desarrollarán sistemas de daño hasta quemar la hoja, efecto que en algunos cultivos limita su comercialización.
La toxicidad por cloruro puede ocurrir también por absorción directa por las hojas cuando se riega por aspersión, este parámetro muestra grados de restricción en función al uso los cuales es ilustrado en el Cuadros 12 y 13 del Anexo.
2.6.6.2 Carbonatos y Bicarbonatos. La presencia de carbonato y bicarbonato sódico indican unas condiciones físico-químicas especiales, ligadas a procesos de alcalinización del suelo.
13 Son característicos de suelos con pH superiores a 9 pudiendo llegar hasta 12. Esta fuerte alcalinidad crea un medio inadecuado para las plantas. El pH alto se debe a la hidrólisis del carbonato, en cambio el bicarbonato da lugar a condiciones menos alcalinas (Laura, 2005).
El ion bicarbonato varía entre 50 y 350 ppm en aguas dulces pudiendo llegar a veces hasta 800 ppm. El agua del mar tiene alrededor de 100 ppm. El ion carbonato está en concentraciones mucho menores que el ion bicarbonato y si el pH < 8.3 se le considera cero. En aguas alcalinas con pH > 8.3 puede haber cantidades importantes, hasta 50 ppm en algunas aguas naturales. El agua del mar tiene menos de 1 ppm, Se establece una concentración de 5 mg/L de carbonatos y 340 mg/L de bicarbonatos para aguas destinadas al riego de vegetales (Hernández, 2002).
Según Laura (2005), durante épocas calurosas y secas la presencia de altas concentraciones de bicarbonatos en agua de riego, puede producir y hacer visibles manchas blancas, en las hojas, por depósito de carbonatos durante la evaporación. El bicarbonato en exceso, aunque no se considera un ion tóxico, en general, puede producir deficiencia en zinc.
2.6.7 Relación Absorción Sodio
Fuentes (1998), Indica que la relación absorción sodio valora la proporción relativa de sodio con respecto al calcio y magnesio, si la proporción de sodio es alta, será mayor el peligro de sodificación y al contrario, si predomina el calcio y el magnesio, el peligro es menor.
El RAS en una solución del suelo, se relaciona con la absorción de sodio y en consecuencia esta relación puede usarse como “índice de sodio” o “del peligro de sodificación que tiene dicha agua”.
Su fácil capacidad de intercambio en el complejo y la selectividad de algunas arcillas provocan efectos nocivos en la parte física, química y biológica del suelo.
14 La FAO (1987), en la última edición de “La calidad de agua en la agricultura” propone las siguientes directrices de la Universidad de California (EEUU), en función de la conductividad eléctrica y del RAS de agua de riego.
Según la División de Recursos Hídricos y Medio Ambiente – Chile, 2005: Una reducción severa en la tasa de infiltración, debido a la calidad del agua, se puede relacionar con aguas de muy baja salinidad o con alta razón de adsorción de sodio (RAS). Información sobre la restricción de uso de agua debido a reducción de la tasa de infiltración se presenta en los Cuadros 14, 15, 16 y 17 de Anexo.
2.7 Normas para Clasificación del Agua para uso Agrícola
2.7.1 Norma Riverside
La Norma Riverside es un sistema para la clasificación de las aguas para riego desarrollado por el servicio de agricultura de los EEUU.
Tienen gran aceptación nacional porque basa su estructura en relación a dos criterios importantes, la conductividad eléctrica (µS/cm) y el índice de RAS. Según estos dos índices se establecen categorías o clases de aguas enunciadas según las letras C y S (primeras iníciales de cada uno de los índices escogidos) afectadas de un subíndice numérico Cuadros 15, 16 y Figura 4 del Anexo, cuyo valor aumenta en relación con el del índice respectivo, estos subíndices varían entre 1 y 4, tanto para la conductividad eléctrica como para el SAR. De acuerdo con esta Norma es posible determinar la calidad del agua y establecer si es apta para el riego (Urbano, 1995).
Debemos tener en cuenta que la permeabilidad del sustrato influye notablemente en la definición de la calidad de agua de riego ya que es necesario conocer el tipo de suelo para determinar el riesgo de salinidad y de sodio que podría repercutir en la estructura del suelo.
También es aconsejable considerar el análisis del suelo para prever la interacción del agua de riego que va a ser determinante sobre la nutrición de la planta.
15 2.7.2 Reglamento en Materia de Contaminación Hídrica
La presente disposición legal reglamenta la Ley del Medio Ambiente Nº 1333 del 27 de abril de 1992 en lo referente a la prevención y control de la contaminación hídrica, en el marco del desarrollo sostenible.
Alteración de las propiedades físico-químicas y/o biológicas del agua por sustancias ajenas, por encima o debajo de los límites máximos o mínimos permisibles, según corresponda, de modo que produzcan daños a la salud del hombre deteriorando su bienestar o su medio ambiente, estos valores son mostrados en el Cuadro 18 y 19 del Anexo.
2.8 Coloides como Coagulantes Vegetales
2.8.1 Clasificación de los Coloides
En los estudios sobre las técnicas del tratamiento de aguas se consideran los coloides hidrofílicos e hidrofóbicos. Los primeros son compuestos polares, solubles en agua, que atraen hacia sí moléculas del medio dispersante (agua), formando una película que ejerce una acción protectora, dándole así bastante estabilidad (difícil de coagular y flocular), los jabones y detergentes corresponden a este grupo (Arboleda, 2000).
En los coloides hidrofóbicos, la fase dispersa está constituida por material insoluble en agua, como por ejemplo, arcillas, metales, grasas y aceites, y por tal razón, son mucho menos estables que los hidrofílicos. Este tipo de coloide generalmente ocurre en mayor cantidad que los hidrofílicos, en aguas destinadas para consumo humano (Arboleda, 2000).
2.8.2 Estabilidad de los Coloides
Entre las fuerzas que intervienen en la estabilización o repulsión entre las partículas está la carga de las partículas y la hidratación. Esta última tiene importancia en los coloides hidrofílicos. Los factores de desestabilización de importancia son el movimiento browniano y las fuerzas de Van der Waals (Martínez, 1999).
16 2.8.2.1 Carga Eléctrica de las Partículas Coloidales. Se ha demostrado que la carga eléctrica de las partículas coloidales es negativa y ayuda en la estabilización de las suspensiones coloidales (Samia, 1989).
2.8.2.2 Fuerzas de Van Der Waals. Las fuerzas de Van der Waals son la principal fuerza atractiva entre las partículas coloidales. Son de origen eléctrico y de débil magnitud en tanto que disminuyen rápidamente con la distancia, ocurren por la interacción de dipolos permanentes o inducidos en las partículas (Coto, 2011).
2.8.2.3 Doble Capa Eléctrica. Las partículas tienen carga eléctrica pero la dispersión coloidal no tiene carga eléctrica neta, porque la carga de la partícula es equilibrada en la fase acuosa. Por lo tanto, existe una doble capa eléctrica en cada interface entre un sólido y el agua. Esta doble capa está formada por la partícula con su carga correspondiente y un conglomerado igual de iones de carga contraria que se ubican cerca de la superficie de la partícula en la fase acuosa.
Para explicar este concepto se han presentado tres teorías, entre las cuales la que postuló (Stern, 1924), es la que mejor explica este fenómeno. En este modelo se acepta la coexistencia de una capa adherida y una capa difusa alrededor del coloide
El potencial cae rápidamente en la capa adherida y lentamente en la capa difusa. La capa adherida se denomina capa de Stern, la cual por movilizarse junto con la partícula se puede considerar como parte del coloide (Hernández, 1996).
En este modelo deben tenerse en cuenta los siguientes potenciales: - El que existe en la superficie del coloide (potencial de Nernst)
- El que existe en el interior de la superficie de la doble capa, en donde empieza la capa difusa.
17 El plano de cizalla es el que separa del resto de la dispersión, la sección de la capa que se mueve con la partícula formando parte integral de ella; y se encuentra en algún punto entre la superficie interior y la exterior de la capa difusa (Arboleda, 2000).
Cuando dos coloides se acercan mutuamente, dos fuerzas opuestas empiezan a operar. La fuerza electrostática debida a la carga de los coloides que los repele y la fuerza de Van der Waals que los atrae.
La fuerza resultante entre estos coloides se muestra como línea punteada (Figura 5 y 6 del Anexo) y tiene una cresta que es llamada barrera de energía. Para que un coloide flocule, es decir, que se aglutine con otros, se requiere que las partículas se aproximen a una distancia menor que la que existe entre el centro del coloide y la barrera de energía. La ubicación de la barrera de energía varía con el pH.
Los coloides se acercan a distancias menores que la de la barrera de energía cuando el potencial zeta baja hasta un punto llamado “punto isoeléctrico” (Z=0), lo cual sucede sí se neutraliza la carga “q”, o se comprime la doble capa por incrementar la cantidad de iones en la solución (Hernández, 1996).
2.9 Operaciones de Coagulación y Floculación
Las aguas potables o residuales, en distintas cantidades, contienen material suspendido, sólidos que pueden sedimentar en reposo, o sólidos dispersados que no sedimentan con facilidad. Una parte considerable de estos sólidos que no sedimentan pueden ser coloides. En los coloides, cada partícula se encuentra estabilizada por una serie de cargas de igual signo sobre su superficie, haciendo que se repelan dos partículas vecinas como se repelen dos polos magnéticos. Puesto que esto impide el choque de las partículas y que formen así masas mayores, llamadas flóculos, las partículas no sedimentan.
Las operaciones de coagulación y floculación desestabilizan los coloides y consiguen su sedimentación. Esto se logra por lo general con la adición de agentes químicos y
18 aplicando energía de mezclado. Los términos Coagulación y Floculación se utilizan ambos indistintamente en colación con la formación de agregados (Pompilio, 2013). Sin embargo, conviene señalar las diferencias conceptuales entre estas dos operaciones. La confusión proviene del hecho de que frecuentemente ambas operaciones se producen de manera simultánea. Para aclarar ideas definiremos Coagulación como la desestabilización de la suspensión coloidal, mientras que la Floculación se limita a los fenómenos de transporte de las partículas coaguladas para provocar colisiones entre ellas promoviendo su aglomeración. Por tanto:
a) Coagulación: Desestabilización de un coloide producida por la eliminación de las dobles capas eléctricas que rodean a todas las partículas coloidales, con la formación de núcleos microscópicos.
b) Floculación: Aglomeración de partículas desestabilizadas primero en micro fóculos, y más tarde en aglomerados voluminosos llamados flóculos. En la Figura 7 del Anexo se muestra como los coagulantes cancelan las cargas eléctricas sobre la superficie del coloide permitiendo la aglomeración y la formación de flóculos. Estos flóculos inicialmente son pequeños, pero se juntan y forman aglomerados mayores capaces de sedimentar. Para favorecer la formación de aglomerados de mayor tamaño se adicionan un grupo de productos denominados floculantes.
Cuando se aproximan dos partículas semejantes, sus capas difusas interactúan y generan una fuerza de repulsión, cuyo potencial de repulsión está en función de la distancia que los separa y cae rápidamente con el incremento de iones de carga opuesta al de las partículas.
Esto se consigue sólo con los iones del coagulante (Figura 6 y 7 del Anexo). Existe por otro lado, un potencial de atracción Es entre las partículas llamadas fuerzas de Van der Waals, que dependen de los átomos que constituyen las partículas y de la densidad de estos últimos. Si la distancia que separa a las partículas es superior a “L” las partículas no se atraen. E es la energía que las mantiene separadas (Pompilio, 2013).
19 La precipitación del coloide implica por tanto dos etapas:
- Desestabilización, Las teorías sobre el mecanismo de este fenómeno se basan en la química coloidal y de superficies.
- Transporte de núcleos microscópicos para formar agregados densos. La teoría del Transporte está basada en la mecánica de fluidos.
2.9.1 Etapas de Coagulación
Coto (2011) sostiene que el proceso de coagulación se desarrolla en un tiempo muy corto (casi instantáneo), en el que se presenta las siguientes etapas.
- Hidrólisis de los coagulantes y desestabilización de las partículas en suspensión. - Formación de Compuestos químicos poliméricos.
- Adsorción de cadenas poliméricas por los coloides. - Adsorción mutua de coloides.
- Acción de barrido.
2.9.2 Factores que Afectan la Coagulación de la Turbidez
La coagulación del color es un fenómeno complejo donde intervienen al menos ocho factores que pueden modificarlo: dosis de coagulantes; pH; concentración de coloides o turbiedad; concentración de sustancias orgánicas en el agua; iones disueltos presentes; intensidad de la mezcla rápida y gradiente de velocidad de la mezcla lenta; movilidad electroforética de las partículas y la temperatura (Arboleda, 2000).
2.9.2.1 Influencia del pH. El pH es la variable más importante a tener en cuenta al momento de la coagulación, para cada agua existe un rango de pH óptimo para la cual la coagulación tiene lugar rápidamente, ello depende de la naturaleza de los iones y de la alcalinidad del agua. El rango de pH es función del tipo de coagulante a ser utilizado y de la naturaleza del agua a tratar; si la coagulación se realiza fuera del rango de pH óptimo entonces se debe aumentar la cantidad del coagulante; por lo tanto la dosis requerida es alta (Martinez, 1999).
20 2.9.2.2 Influencia de la temperatura del agua. La variación de 1ºC en la temperatura del agua conduce a la formación de corrientes de densidad (variación de la densidad del agua) de diferentes grados que afectan a la energía cinética de las partículas en suspensión, por lo que la coagulación se hace más lenta; temperaturas muy elevadas desfavorecen igualmente a la coagulación. Una disminución de la temperatura del agua en una unidad de decantación conlleva a un aumento de su viscosidad; esto explica las dificultades de la sedimentación de un floculo (Pompilio, 2013).
2.9.2.3 Influencia de la dosis de coagulante. La cantidad del coagulante a utilizar tiene influencia directa en la eficiencia de la coagulación, así: Poca cantidad del coagulante, no neutraliza totalmente la carga de la partícula, la formación de los micro flóculos es muy escasa, por lo tanto la turbiedad residual es elevada. Alta cantidad de coagulante produce la inversión de la carga de la partícula, conduce a la formación de gran cantidad de micro flóculos con tamaños muy pequeños cuyas velocidades de sedimentación muy bajas, por lo tanto la turbiedad residual es igualmente elevada. La selección del coagulante y la cantidad óptima de aplicación; se determina mediante los ensayos de pruebas de jarra (Vázquez, 1994).
2.9.2.4 Influencia de la mezcla. El grado de agitación que se da a la masa de agua durante la adición del coagulante, determina si la coagulación es completa; turbulencias desiguales hacen que cierta porción de agua tenga mayor concentración de coagulantes y la otra parte tenga poco o casi nada; la agitación debe ser uniforme e intensa en toda la masa de agua, para asegurar que la mezcla entre el agua y el coagulante haya sido bien hecho y que se haya producido la reacción química de neutralización de cargas correspondiente.
En el transcurso de la coagulación y floculación, se procede a la mezcla de productos químicos en dos etapas. En la primera etapa, la mezcla es enérgica y de corta duración (60 s. máximo) llamado mezcla rápida; esta mezcla tiene por objeto dispersar la totalidad del coagulante dentro del volumen del agua a tratar, y en la segunda etapa la mezcla es lenta y tiene por objeto desarrollar los micro flóculos (Medina, 2006).
21 Las aguas de más difícil coagulación son las que tienen baja turbidez (turbiedades menores de 20 NTU), ya sea en presencia de color o no. El color cuando está solo requiere de altas dosis de coagulantes y los iones en disolución interfieren en la coagulación. Por ejemplo, cationes divalentes (Ca+2, Mg+2) ayudan a la desestabilización de los coloides, razón por la cual se recomienda añadir cal al agua, en especial si esta es poco mineralizada (Arboleda, 2000).
2.9.2.5 Sistema de simulación del proceso de coagulación. Estos sistemas consisten en imitar en unos vasos de precipitado o jarras el proceso de coagulación producido en la planta potabilizadora. Con ellos se evalúa el funcionamiento de los ensayos. Las pruebas de jarras es un sistema de simulación que consta de un agitador múltiple de velocidad variable que puede crear turbulencia simultáneamente en seis vasos de precipitado y es utilizada por el ICAA para efectuar el control de calidad del agua tratada (Medina, 2006).
2.10 Coagulantes Floculantes más Comunes
2.10.1 Coagulantes Metálicos
Históricamente, los coagulantes metálicos, sales de Hierro y Aluminio, han sido los más utilizados en la clarificación de aguas y eliminación de DBO y fosfatos de aguas residuales. Tienen la ventaja de actuar como coagulantes - floculantes al mismo tiempo forman especies hidratadas complejas cargadas positivamente.
Sin embargo tienen el inconveniente de ser muy sensibles a un cambio de pH. Si éste no está dentro del intervalo adecuado la clarificación es pobre y pueden solubilizar hierro o aluminio y generar problemas. A continuación vemos los más utilizados:
a) Sulfato de Aluminio: Conocido como Alumbre, es un coagulante efectivo en intervalos de pH 6 a 8. Produce un floculo pequeño y esponjoso por lo que no se usa en precipitación previa de aguas residuales por la alta carga contaminante del agua. Sin embargo su uso está generalizado en el tratamiento de agua potable y en la reducción de coloides orgánicos y fósforo.
22 b) Sulfato Férrico: Funciona de forma estable en un intervalo de pH de 4 a 11, uno de los más amplios conocidos. Producen flóculos grandes y densos que decantan rápidamente, por lo que está indicado tanto en la precipitación previa como en la co-precipitación de aguas residuales urbanas o industriales. Se emplea también en tratamiento de aguas potables aunque en algún caso puede producir problemas de coloración.
c) Cloruro Férrico: Es similar al anterior aunque de aplicación muy limitada por tener un intervalo de pH más corto. Es enérgico aunque puede presentar problemas de coloración en las aguas.
d) Aluminato sádico: Se emplea poco. Su uso más habitual es eliminar color a pH bajo. Además se puede usar en el ablandamiento de agua con cal.
2.10.2 Coagulantes Floculantes Naturales
Son aquellos que se producen por reacciones bioquímicas naturales en animales y plantas. Son polímeros que muchas veces no tienen una sola composición química definida, pues están constituidos principalmente por varios tipos de polisacáridos (por ejemplo almidón, celulosa, glucósidos, entre otros) y proteínas (por ejemplo caseína, gelatina, olieratina, entre otros).
Se ha encontrado que proteínas solubles en agua contenidas en semillas de Moringa oleifera presentan propiedades coagulantes y floculantes, y se han utilizado tradicionalmente como clarificadores para aguas de consumo humano. La toxicidad de los polímeros naturales es, por lo general, mínima o nula, incluso se utilizan en muchos casos como combustibles o como aditivos en diversos productos alimenticios (Almendárez, 2004).
2.10.2.1 Tuna (Opuntia Ficus Indica). Son plantas arborescentes, arbustivas o rastreras, con forma simple o de matorrales. Poseen un tronco leñoso muy definido, con ramificaciones esparcidas o en forma de copa, con tallos y ramas articuladas. Pueden llegar a medir hasta 5 m de alto. Sus partes oblongas llamadas pencas alcanzan los 30 a 50 cm de ancho y 2 cm de espesor, son de color verde opaco. Algunas tienen espinas,
23 cortas, estas son débiles, blancas o amarillas. Poseen flores y frutos, ovalados de color rojo, naranja o amarillo (Martínez, 2012).
Es una planta que no requiere tierras de gran calidad, puede crecer en terrenos poco fértiles y de escasa humedad. Son mínimos los cuidados que necesita, pueden vivir hasta 80 años. Se ven afectadas por las bajas temperaturas. Es originaria de América, hay 258 especies reconocidas, 100 de las cuales están en México donde se estima que hay 10,000 hectáreas cultivadas con Tuna (Martínez, 2012).
En base seca, contiene alrededor del 15,48% de proteínas, además de carbohidratos, cenizas y una gran humedad. Tiene baja acidez. En la pulpa hay alto contenido de azúcares. Por lo general, los azúcares presentes son considerados reductores, predomina la glucosa (60%) y la fructosa (40%), Estudios fotoquímicos realizados a la Tuna (Opuntia ficus-indica), han mostrado abundante presencia de humedad, la cual representa entre un 79% y 94% de su peso. También se han encontrado pequeñas cantidades de hierro y calcio. Algunos de los metabolitos secundarios encontrados en esta planta son las saponinas, en forma de triterpenos y flavonoides; no se han encontrado taninos, ni alcaloides (Martínez, 2012).
El espectro infrarrojo realizado a un polímero natural obtenido a partir de la Tuna, mostró la presencia de grupos tiol (SH), grupos nitroso (
NO
2), hidroxilos (OH
−1), enlaces carbono-carbono C), la presencia de hidrocarburos insaturados H) y del enlace (C-O), puede deberse a la presencia de alcoholes, esteres o éteres. Este comportamiento es muy similar al observado en otros poli electrólitos sintéticos (Martínez, 2012).Galvis (2015), menciona que el coagulante de origen orgánico Cactus lefaria ha sido ampliamente usado en los estados de Lara y Falcon, como sustituyente del sulfato de aluminio en el proceso de clarificación del agua. Investigadores de la Universidad de Zulia realizaron un estudio para evaluar la eficiencia de Cactus lefaria como coagulante natural. Los ensayos se realizaron a escala de laboratorio, preparando aguas turbias sintéticas con valores de turbidez iniciales de 20 a 150 UNT. Los estudios realizados demuestran que la planta remueve la turbidez entre un 80 y 90 %.
24 En localidades rurales o apartadas se emplea el cactus como un clarificador natural, siguiendo la metodología establecida en el libro “Tecnologías Apropiadas en Agua Potable y Saneamiento Básico” (Pan American Health Organization (PAHO) / Organización Panamericana de la Salud (OPS)).
Por otro lado en Managua – Nicaragua se extrajo y analizó, de la Tuna (Opuntia Cochinellífera), un poli electrólito de origen natural. El proceso de extracción se llevó a cabo a través de una serie de operaciones unitarias de secado, molido, tamizado, lixiviación con alcohol etílico, filtración y evaporación. Para caracterizar este coagulante se sometió a una espectroscopia infrarroja, esto permitió identificarlo como un poli electrólito y para la comprobación de su capacidad coagulante, se realizó la prueba de jarra, con aguas superficiales con turbidez de 49 UNT, 199 UPC y un pH de 9,14, los resultados mostraron alta eficiencia con los coagulantes metálicos, una eficiencia media con el coagulante natural y una baja eficiencia con el coagulante sintético (Martínez, 2012).
Olivero (2014), demostró que el mucilago extraído de la tuna opuntia ficus-indica sirve como coagulante natural en el propósito de clarificar aguas crudas del río Magdalena del municipio de Magangué, Departamento de Bolívar, logrando reducir la turbidez hasta en un 83.66%.
2.10.2.2 Semillas de durazno (Prunus pérsica). El Durazno pertenece al Reino Vegetal. División Antofitas. Subdivisión Angiosperma. Clase Dicotiledóneas. Orden Rosales. Familias Rosáceas. Subfamilia Prunoideas. Género Prunus. Sugénero Amigdalus. Especie Persica (Rodríguez, 2005).
El árbol de durazno es de tamaño medio (3 a 5 m. de altura). La extensión de sus ramas alcanza alrededor de 15 metros cuadrados. Su copa tiende a ser redonda. Es un árbol poco longevo, de manera que alcanzará sus máximos rendimientos entre los 15 a 20 años, según sea el manejo que reciba (Rodríguez, 2005).
Es un especie de las cuales sus cotiledones (almendras) son coagulantes con grandes beneficios antioxidantes, además de sus grandes condiciones, como sus tejidos carnosos
25 y gran porcentaje de fibra en las almendras de las semillas, además que contiene minerales tales como, vitamina C, Calcio, Potasio entre otros, es una especie más usada en el ámbito alimenticio ya que es muy conocido como una fruta ya que la parte de la pulpa del fruto es muy agradable y de un sabor dulce (Rodríguez, 2005).
Los cotiledones de la Prunus persica tiene características tales como, una semilla tiene un porcentaje de humedad de 7%, aceites y grasas de 51.40%. Las semillas de durazno retrasan las reacciones químicas, microbiológicas, y la formación de enzimas por lo que contribuyen en el tratamiento de aguas, estas características de estas semillas las vuelven uno de los coagulantes naturales más usados y con mejores características (Hildebrando, 2013).
Su fruto, llamado melocotón, piesco, ectarina, pelón o durazno, contiene una única y gran semilla encerrada en una cáscara dura las cuales son molidas para obtener un polvo que va actuar como coagulante (Galviz, 2015).
Fernández (2017), menciona que: con la prueba de test de jarra se determinó la mejor concentración del coagulante, semillas de durazno que fue de 5 g por cada 600 ml, con esto para 1 L de agua doméstica se establece una concentración de 8,3 g. Asegurando un 82 % de remoción de turbidez inicial.
Los resultados obtenidos con semillas de durazno muestran que los mayores valores de remoción de turbidez se alcanzaron en las aguas de turbiedad de 75 y 100 UNT, logrando disminuir la turbidez a 5,1 y 9,9 UNT, respectivamente, lo que representa porcentajes de 93,2 % y 90,1 %, respectivamente (Carrasquero, 2017).
2.10.2.3 Almidón de cascara de papa (Solanum tuberosum). La papa o patata es un tubérculo comestible que se extrae de la planta herbácea americana Solanum tuberosum, de origen andino. Es una planta perteneciente a la familia de las solanáceas originaria de Suramérica y cultivada por todo el mundo por sus tubérculos comestibles. Fue domesticada en el altiplano andino por sus habitantes entre el 8500 y el 5000 a. n. e., y más tarde fue llevada a Europa por los conquistadores españoles como una curiosidad botánica más que como una planta alimenticia. Su consumo fue creciendo y su cultivo se
26 expandió a todo el mundo hasta convertirse hoy día en uno de los principales alimentos para el ser humano (Morales, 2011).
A su vez, en Colombia se han realizado investigaciones sobre la utilización de coagulantes naturales, como el almidón de yuca y el almidón de maíz, los cuales han sido evaluados junto con el sulfato de aluminio B y un polielectrólito comercial, como agentes coagulantes de aguas crudas superficiales, utilizadas para el abastecimiento de una planta potabilizadora. Las pruebas se realizaron a 20 ºC, con agua cruda de la quebrada Las Delicias en Bogotá D.C. la cual presento una turbidez promedio de 175 ± 5 NTU, color 70 ± 5 UPC y pH de 5,4 ± 0,5. Los resultados obtenidos mostraron un buen desempeño del almidón de maíz, comparable con el poli electrólito y mejor que el sulfato de aluminio B, para estas condiciones se obtuvo una dosis óptima de 20 mg/L, turbidez final por debajo de 20 NTU, color inferior a 25 UPC y pH de 5,38, parámetros acordes con la normativa colombiana. Por el contrario el almidón de yuca presentó un mal desempeño en estas condiciones y fue el menos efectivo de los agentes coagulantes evaluados (Martínez, 2012).
Los valores de turbidez decantada después de la prueba de Jarra aplicando la solución de cáscaras de papa se obtuvo que la menor remoción se produjo al aplicar una dosis de 50 mg/L para un agua de 15 UNT, disminuyendo hasta 11,5 UNT, lo que representó un porcentaje de remoción de 23,1%; y la mayor remoción se obtuvo al aplicar una dosis de 500 mg/L en un agua de 200 UNT, disminuyendo hasta 4,3 UNT, lo que representó un porcentaje de remoción de 97,8%. Por lo que el rango de efectividad en la remoción de turbidez se encontró entre 23,1 y 97,8% para los niveles de turbidez analizados.
La solución coagulante de cáscaras de papa fue más efectiva en aguas de alta turbidez (200 UNT), ya que para todas las dosis empleadas porcentajes de remoción mayores al 97%. En aguas de media turbidez (75 y 100 UNT) se presentaron remociones superiores a 80%, mientras que para las aguas de turbidez baja (10 y 15 UNT) el porcentaje de remoción fue mucho menor, encontrándose remociones superiores a 23% pero inferiores a 55% (Carrasquero, 2017).
27 2.10.2.4 Mucilagos. Los mucilagos son sustancias análogas a las gomas. En contacto con el agua forman unas dispersiones viscosas y poseen una enorme facilidad de embeberla; propiedad de suma importancia en el mecanismo de retención del agua de las cactáceas. Los mucilagos están contenidos dentro de las grandes células vesiculares de los parénquimas (Sáenz, 2004).
Hernández, (1996) encontró en seis muestras de cactus, un contenido de mucílago que fluctúa entre 1,09 a 4,53 %. El análisis del mucílago obtenido de Opuntia ficus indica mostró estar formado por glucosa y arabinosa, principalmente, mientras que los azúcares encontrados en el mucílago de Opuntia tomentosa fueron glucosa, arabinosa y galactosa. En ambas muestras de mucilagos las cenizas representaban el 8,8 y el 13,21 % respectivamente, los azúcares totales el 62,92 y el 64,53 % y las pentosas el 28,9 y el 39,31 %.
2.10.2.5 Modos de empleo de los poli eléctricos. Los poli electrolitos, ya sea naturales o sintéticos pueden ser añadidos al agua de tres maneras distintas: como coagulantes; como ayudantes de la coagulación y como ayudantes de floculación. El primer caso supone que el electrolito es agregado al agua como único coagulante en lugar del coagulante metálico. En el segundo caso, el polímero es añadido antes del coagulante metálico y en el tercero, después del mismo. Los tres casos suponen mecanismos de acción diferentes (Arboleda, 2000).
2.11 Pruebas de Tratabilidad
2.11.1 Prueba de Jarras
Es un método de simulación de los procesos de Coagulación y floculación, realizado a nivel de laboratorio que permite obtener agua de buena calidad, fácilmente separable por decantación; los flóculos formados con diferentes dosis del coagulante dan como resultado valores de turbiedad diferentes. Probablemente el primer ensayo de prueba de jarras fue realizado por W. L. Langelier en la Universidad de California en 1918. Las primeras aplicaciones y el desarrollo inicial corresponden a John Baylis, Bartow y Petterson, Fleming, Nolte y Kromer (Coto, 2011).
28 Aportes tecnológicos posteriores fueron realizados por Tolman, Niekel, Gekershausen, Langelier–Ludwig, Cross et al., C. Henry, Smith, Straub, Elliassen, Norcon, Cox y otros, que perfeccionan continuamente el ensayo y lo aplican con éxito a diversas condiciones de coagulación de las aguas. Estos autores orientaron principalmente el modelo de prueba de jarras hacia la determinación y optimización de las variables químicas del proceso de coagulación (Coto, 2011).
2.11.2 Descripción del Equipo de Prueba de Jarras
Coto (2011), señala que para efectuar los ensayos de simulación de procesos, existen algunas variaciones en el equipo tradicional, que son descritas en la literatura. Aunque no es un requisito indispensable, estas pruebas, en la mayor parte de los casos, son realizadas en equipos comerciales y uno de los más conocidos es el equipo de velocidad variable fabricado por la Phipps & Bird, para el cual se han desarrollado los ábacos que relacionan el gradiente de velocidad con la velocidad de rotación de las paletas Normalmente estos equipos constan de los siguientes elementos:
Un agitador mecánico provisto con tres a seis paletas, capaz de operar a velocidades variables (de 0 a 100 revoluciones por minuto; actualmente pueden obtenerse equipos que operan con velocidades de hasta 400 revoluciones por minuto).
Un iluminador de flóculos localizado en la base o lateral de los vasos de coagulación. Vasos de precipitado de 1 L de capacidad, de cristal refractario para la visibilidad de formación de flóculos y decantación de los mismos.
