Introducción

La coagulación es el proceso de adición de una sustancia química denominada coagulante, la que produce la desestabilización eléctrica de las partículas que se encuentran suspendidas en el agua. Esta actividad se efectúa en unidades de tratamiento, específicamente en tanques de mezcla rápida, donde se dosifica el coagulante al agua y se somete a una agitación intensa para formar una mezcla homogénea en menor tiempo (^{Carrasquero et al., 2017}). Este proceso permite la remoción de compuestos que están suspendidos, cambiando el color del agua y disminuyendo la turbiedad orgánica e inorgánica, además de eliminar microorganismos patógenos y cualquier sustancia productora de olor y sabor (^{Choy et al., 2016}). Es por ello, que el uso de cualquier producto que realice estas funciones demanda grandes cantidades, que generalmente están sujetas a las características del agua a tratar, la concentración del coagulante, la intensidad y tiempo de mezcla. Lo que lleva a que en muchas ocasiones sea muy costoso. Por ello, la alternativa de emplear coagulantes naturales que faciliten este tratamiento.

El proceso de coagulación implica procesos químicos claves para lograr la desestabilización de las partículas coloidales, los factores a tener en cuenta son: la valencia, capacidad de cambio, tamaño de partículas, temperatura, concentración de iones H+ o pH, la relación cantidad tiempo y la alcalinidad. (Restrepo, 2009).

De acuerdo con estudios realizados por ^{Mendoza et al en el 2000}, concluyen que el pH y la dosificación del compuesto coagulante, son variables determinantes que indicen directamente en la eficacia en la remoción de turbidez. Es así, que a diferentes concentraciones de iones H+, la solubilidad de los coagulantes naturales coincide para asegurar la ruptura del campo magnético de los coloides y, así permitir la formación de flóculos. Otro factor clave es el cálculo de la dosificación de reactivo, pues en ausencia, no permite la fractura del campo magnético y la disminución del potencial Zeta, y el exceso de dosificación afecta el proceso de eliminación de sólidos coloidales. A través del test de jarras se pueden determinar dosis óptimas a utilizar en los procesos unitarios. Este análisis es vital para evitar el desperdicio de coagulantes o evitar agregarlo en exceso, lo que puede generar un efecto no deseado, aumentando los valores de las unidades nefelométricas (NTU). Cabe resaltar que la turbidez es una las variables de mayor importancia en el Índice de Riesgo de Calidad de Agua (IRCA), que de acuerdo a la resolución 2115 de 2007, el no cumplimiento del parámetro mínimo permitido para turbidez, implica un aumento en el nivel de riesgo de la calidad del agua para consumo humano.

El uso de coagulantes naturales ha sido bastante estudiado para el proceso de tratamiento del agua (^{Guzmán et al., 2013}). Sin embargo, su uso se ha limitado a fuentes naturales ricas en almidón, debido al alto contenido de resinas poliméricas que favorecen los procesos de formación de flóculos (Bonilla, 2016). Por ejemplo, estudios realizados (Solís et al., 2012; Villabona et al., 2013; ^{Trujillo et al., 2014}; ^{Barrios, 2016}; ^{Castiblanco et al., 2016}) han documentado el uso de coagulantes naturales como el almidón de yuca, maíz, plátano y papa en el tratamiento de aguas residuales y aguas naturales para potabilizar. Sin embargo, en la actualidad se han venido desarrollando otros estudios de coagulantes naturales con algunas plantas como: retamo espinoso, malanga, sábila, fique, maguey, moringa, nopal, tuna, cardón guajiro y semillas de árboles como el tamarindo, el durazno y la caña fístula (^{Lédo et al., 2009}; ^{Gurdián-López y Coto-Campos (2011)}; ^{Lozano-Rivas, 2012}; ^{López-Vidal et al., 2014}; Contreras et al., 2015a; Contreras et al., 2015b; Guzmán et al., 2015; Cuadros, 2020).

Los coagulantes naturales están siendo ampliamente utilizados para el tratamiento de aguas naturales y aguas residuales, (^{Mendoza et al., 2000}; Restrepo, 2009; ^{Santana et al., 2017}). Por ejemplo, las antiguas civilizaciones utilizaban polielectrolitos naturales para clarificar el agua. En la India usaban las semillas de agave para la clarificación de aguas turbias y en África los aldeanos añaden plantas nativas para reducir la turbiedad, olor y sabor al agua para consumo humano. Aunque se registra que los británicos fueron los primeros en utilizar polielectrolitos naturales como coadyuvantes coagulantes (Vásquez, 1994 citado por Contreras y Gutiérrez, 2015).

Estudios realizados citados por Hernández y Triviño (2016), han reportado que el retamo espinoso (Ulex europaeus) posee un alto contenido de lignina, celulosa y hemicelulosa, polímeros que tienen la capacidad de retener metales pesados. En algunos países como Australia, Estados Unidos y el norte de México, el Ulex europaeus es considerado como una maleza que puede formar matorrales impenetrables espinosos densos a lo largo de los cursos de agua. En otros, como Tanzania, en África oriental, las semillas de esta planta son utilizadas como coagulante para el tratamiento del agua turbia, donde el suministro de agua potable no está disponible (Olivero et al., 2014).

Sin embargo, esta especie se caracteriza por producir hasta 20.000 semillas por año, situación que lleva a que esté presente en muchos lugares. Suele desarrollar múltiples tallos y ramificaciones, lo que tiende a invadir el terreno, (^{Beltrán y Barrera, 2014}). Por ejemplo, en Colombia, los páramos han sido los mayormente afectados (^{Amaya-Villarreal y Rengifo, 2010}). Además, esta planta presenta una característica de inflamabilidad por el contenido de aceites y otros metabolitos, incrementando la probabilidad de incendios forestales en sistemas naturales, seminaturales y periurbanos (^{Sánchez-Tapias y Vargas, 2007}). De igual manera, estos incendios estimulan la germinación y dispersión de semillas de retamo espinoso, colonizando espacios que anteriormente eran ocupados por otras coberturas vegetales como los bosques nativos (Guzmán y Rey, 2019).

El presente estudio plantea como hipótesis, que el retamo espinoso en solución coagulante al 1% puede alcanzar eficiencias de remoción aceptables para el tratamiento primario del agua (^{León et al., 2016}). Por ello, el objetivo es evaluar la eficiencia del Ulex europaeus a diferentes dosificaciones y niveles de pH con el fin de iniciar un proceso de estandarización que en un futuro permita proponer un método optimizado de tratamiento primario cuyas condiciones posibiliten reducir los costos y minimizar los impactos ambientales ocasionados por esta planta.

Materiales y Métodos

El desarrollo metodológico consistió, inicialmente, en el proceso de recolección de la especie invasora, cuyo ejercicio implicó la documentación a cerca de la planta en Colombia y la selección del área para la toma de la muestra de retamo espinoso teniendo en cuenta la Resolución 469 de 2009 de la Corporación Autónoma Regional de Cundinamarca. Para este caso se seleccionó el Humedal Juan Amarillo en la ciudad de Bogotá D.C, que actualmente se ve afectado por el crecimiento de Ulex europaeus.

Posteriormente, el proceso de evaluación del Retamo Espinoso como coagulante natural se llevó a cabo en el laboratorio de análisis ambiental del Centro de Gestión Industrial CGI del SENA en tres etapas: i) Preparación de la solución coagulante y agua patrón, ii) Pruebas de floculación coagulación y iii) Caracterización fitoquímica. Por último, se desarrolló el análisis estadístico de los datos.

A continuación, se detalla cada una de las etapas anteriormente mencionadas:

Resultados

De acuerdo con los resultados que se obtuvieron de la evaluación del retamo espinoso como coagulante natural para el tratamiento del agua, se comprueba la hipótesis planteada donde el Ulex Europaeus tiene propiedades coagulantes que permiten la remoción de altos contenidos de turbiedad en el agua. Con soluciones de retamo espinoso al 1% se lograron eficiencias de remoción promedio entre el 34,5 % y el 40 % cuyo promedio de niveles de turbiedad fue menor a 100 NTU. Teniendo una eficiencia promedio del 37,0 %, en todos los ensayos realizados a diferentes dosificaciones y niveles de pH. Siendo el porcentaje de eficiencia más frecuente el 34,8 % de remoción de turbiedad. Cabe resaltar que se realizaron ensayos por triplicado, para tres niveles de pH diferentes (5, 7 y 9) y cinco niveles de dosificación de retamo (3, 6, 9, 12 y 15 mL); teniendo un total de 45 ensayos realizados cuya varianza del porcentaje de remoción fue del 29,5 % y desviación estándar del 5,4 %. En la (Figura 1a) se presenta un histograma de frecuencia que permite analizar la simetría y normalidad de los datos de la eficiencia de remoción de la solución de retamo al 1 % y en la (Figura 1b) los niveles de turbiedad final que posterior al tratamiento con el coagulante natural, registraron un promedio de 88,2 NTU, partiendo que la turbiedad inicial era 140 NTU, valor de turbidez del agua completamente estandarizado para todos los ensayos.

Fuente: Elaborado por los autores

Figura 1 Histograma de frecuencias que presenta el comportamiento de las eficiencias de remoción de turbiedad obtenidas y de la medición de turbiedad final de las muestras de agua posterior al tratamiento. 

De acuerdo con las dosificaciones trabajadas, las mejores eficiencias de remoción de turbiedad se alcanzaron con 9 mL de solución de retamo al 1 % (Figura N° 2a). Para el caso de las dosificaciones de 3, 6, 12 y 15 mL se presentaron eficiencias de remoción de 34,5 %, 38,2 %, 35,4 % y 36,7 % respectivamente (Tabla 1).

Fuente: Elaborado por los autores.

Figura 2 Eficiencias de remoción según la dosificación de solución de retamo espinoso al 1 % (izquierda) y niveles de pH (derecha). 

Por otro lado, de acuerdo con los niveles de pH la escala que mejor registró porcentajes de eficiencia de remoción de turbiedad fue la de 5 unidades con un promedio remoción de 38,3 %, seguido de la 7 (36,7 %) y por último, la de 9 unidades (35,9 %) (Figura 2b). El rango de variación no es tan amplio en las unidades de pH 5 y 9, sin embargo en la escala de pH 7 la variación es mayor y se alcanzan eficiencias superiores al promedio (37 %). Cabe resaltar que con el análisis univariado realizado existen diferencias significativas entre el pH 5 y 9, lo que indica que dicha remoción si cambia con un pH u otro.

Dado lo anterior, y con el ánimo de identificar tendencias en los resultados de manera más específica y detallada, se presenta a continuación los resultados del análisis estadístico ANOVA que permitió desarrollar comparaciones múltiples, entre las dosificaciones de solución de Ulex Europaeus al 1 % y las escalas de pH con el fin de identificar si hay diferencias de remoción de turbiedad entre ellas.

La (Tabla 1) presenta la relación de la variable dosificación de solución de retamo espinoso al 1 %, mediante análisis univariado obtenido, que permite identificar que existen diferencias significativas (a < 0,05) entre las dosificaciones 6 y 9 mL con 3 y 12 mL. De hecho, las pruebas post Hoc (DHS Tukey, Tukey B, Duncan y Walter Duncan) conforman tres grupos diferentes para dosificación, separando las dosificaciones 3 y 12 mL que registraron remoción de turbiedad del 34,5-35.4 %, de las dosificaciones de 15 mL que registra una remoción de turbiedad de 36,7 % y en un tercer grupo de 6 y 9 mL que registraron mejores porcentajes de remoción de turbiedad (38.2-40 %).

Igualmente los resultados obtenidos del análisis univariado para las diferentes escalas de pH (Tabla 2), se identificaron dos agrupaciones, cuyos mejores porcentajes de eficiencias de remoción de turbiedad del agua, se registraron para la escala de pH 5 (38,3 %), a diferencia del pH 9 que registró menores porcentajes de remoción de turbiedad (35,9 %), mientras que los resultados de remoción de turbiedad a pH 7 no presenta diferencias significativas con los resultados de los pH 5 y 9 con porcentaje de remoción del 36 % (Figura 2b).

Por último, en la Figura 3 se presenta la correlación entre la eficiencia de remoción y la concentración de turbiedad final, teniendo una correlación inversa (R2= 0.94) en donde se obtiene que, a mayores porcentajes de eficiencia de remoción de la solución coagulante de retamo espinoso, menor será la turbiedad presente en el agua.

Fuente: Elaborado por los autores.

Figura 3 Correlación entre turbidez final y eficiencia de remoción del coagulante natural. 

Discusión

De acuerdo con la evaluación realizada, el retamo espinoso tiene propiedades coagulantes en solución al 1 % (P/V), para el tratamiento del agua cuya turbidez esté en valores de 140 NTU, por su parte, ^{Choque-Quispe et al., (2018)} define la necesidad de aumentar la dosis de coagulante de 1 % a 3 % dado que presenta mejores resultados para la actividad floculante y % de remoción alcanzando valores de 48.580 ± 0.063 % y 99.329 ± 0.060 % respectivamente, cuando es extraído con el solvente etanol. Según los resultados, las dosificaciones de 6 y 9 mL de solución de retamo al 1 % presentaron un bajo rango de variación en el porcentaje de remoción a diferencia las dosificaciones de 3 mL y 12 mL. Si se revisa con detalle la relación de las dos variables, se obtiene que con niveles de pH 7 las remociones más altas se dieron con dosificaciones mayores (15 mL) y cuando el pH es mayor (9 Unidades), los mejores porcentajes de remoción se alcanzaron con niveles más bajos de dosificación de 3 mL, teniendo una relación inversa. Aunque, los tres niveles de pH trabajados en cada una de las pruebas presentaron porcentajes de remoción por encima del promedio (37 %) confirmado que la efectividad de los compuestos naturales sin aditivos, generan desestabilización del potencial Zeta al ser agregados a muestras con altos niveles de turbidez. Dearmas, (2015) obtuvo resultados similares al probar moringa (Moringa oleífera) y cardón guajiro (Lemaireoreus griseus) en tratamiento de aguas residuales, concluyendo que dichos compuestos permiten remover unidades de NTU superiores al 30%. Por su parte, ^{Guzmán et al, (2013)} concluyen que el uso de los coagulantes naturales es ampliamente usado por su efectividad para la remoción de sólidos coloidales en el agua y que trae consigo otros beneficios fisicoquímicos.

Con relación al pH, el mejor porcentaje de remoción de turbiedad se presentó a escala 5, indicando que, niveles ligeramente ácidos permiten condiciones favorables para que la solución coagulante forme (iones H+), lo que permite que estos iones disueltos en el agua se adhieran a los sólidos coloidales y a sus cargas, formando flocs y generando mayor desestabilización, lo que se traduce en una fracturación del campo eléctrico y por ende una aumento en la tasa de sedimentación de las partículas suspendidas coloidales, principales causantes de la turbiedad en el agua. Este resultado concuerda con el estudio realizado por ^{Ortega Guerreo et al., (2019)}, quien utiliza aguas mieles provenientes del lavado de la semilla de café, con un pH promedio de 4±0,00, en el cuál al usar la pulpa de café como solución coagulante, se evidencia buen comportamiento en la remoción de sólidos coloidales, por lo que, el mejor funcionamiento se da pH ácidos, adicionalmente se resalta el aumento en el valor de la alcalinidad se debe a la concentración de los iones hidroxilos (OH^-), carbonatos (CO32^-) y bicarbonatos (HCO₃ ^-) facilitando la coagulación de las partículas.

En síntesis, la evaluación del retamo espinoso como coagulante alcanzó porcentajes del 40 % de remoción con dosificaciones intermedias de 6 y 9 mL de solución de retamo al 1 % y a concentraciones de pH de 5 unidades (niveles de pH ligeramente bajos), reduciendo significativamente los niveles de turbiedad en el agua sin la utilización de compuestos químicos sintéticos. En comparación con el estudio realizado por ^{Feria et al., (2020)} las remociones obtenidas para agua cruda con turbidez inicial de 150 NTU son entre el 18 % y 27 % de manera independiente de la dosis aplicada y de la solución base de los extractos. Esto indica, que el retamo tiene mejores resultados en remoción de turbidez pues alcanza eficiencias por encima del 30 % a bajas concentraciones.

La eficiencia de remoción de turbiedad en el agua varía según la dosificación de solución de retamo y la escala de pH en la que se realice el ensayo. Este estudio presentó diferencias estadísticas significativas de remoción entre cada uno de los valores empleados tanto para dosificación, como para escala de pH (σ < 0.05). Sin embargo, con soluciones de retamo del 1 % las dosificaciones de 9 mL a pH 5 estuvieron en promedio con un 44,7 % de remoción de turbiedad.

Finalmente, se recomienda desarrollar más evaluaciones de retamo espinoso, empleando otras soluciones diferentes al 1 % y más niveles de dosificación y escalas de pH, además, se recomienda incluir la medición de otras variables como color y conductividad que permitan establecer correlaciones, para mejorar el análisis del proceso de tratamiento del agua con coagulante natural, con el fin de lograr estandarizar el proceso y establecer a diferentes concentraciones de turbiedad, diferentes dosificaciones del coagulante natural y concentraciones de la solución.

Conclusiones

La eficiencia de la remoción de las partículas coloidales representada en niveles de turbidez usando como solución coagulante retamo espinoso al 1 %, está asociado a la concentración de turbiedad del agua al inicio del tratamiento, dosificación de la solución y la escala de pH inicial. En ese sentido, el estudio realizado permitió determinar que las dosificaciones de 6 mL y 9 mL presentan en promedio una mayor remoción con el 38,2 % y 40 % respectivamente, por otra parte, los datos reportados en la variación de pH indican que a pH 5 se obtiene una mayor remoción con un porcentaje del 38,3 % seguido por el pH 7 con un 36 % y pH 9 con el 35,9 %. Adicionalmente, se concluye con un 95% de confianza que, para una turbiedad inicial de 140 NTU, una solución de retamo espinoso al 1 puede lograr remociones en promedio que oscilan entre el 34,5 % al 40 %.

Cabe resaltar, que el pH ácido es un factor que incide directamente en la eficiencia de la solución coagulante, debido a que las mayores remociones se presentaron a pH 5 en una dosificación de 9 mL, lo que indica que a estos niveles se incrementa la efectividad de la solución y permite la desestabilización del campo eléctrico de los coloides presentes en la muestra analizada, favoreciendo la formación del floc y la tasa de sedimentación de las partículas coloidales. Razón por la cual, se recomienda que en futuras investigaciones se realice aumento en la concentración de la solución coagulante de retamo espinoso y se compruebe su mecanismo de acción en escalas de pH ácidas con diferentes volúmenes de dosificación.