Introducción

Es de apreciar que actualmente el suministro de agua potable cada día está más limitado debido a los cambios climáticos y al derroche por parte de la población mundial, por lo anterior se hace necesario realizar tratamientos de potabilización y remoción de la turbiedad alternativos (naturales) y así poder garantizar agua tratada apta para el consumo. ^{Cardoso et al. (2008}), dicen que "el agua destinada al consumo humano debe cumplir con un estándar de potabilidad; es decir, los parámetros físicos, químicos, microbiológicos y radiactivos deben ser atendidos". Para poder lograr la remoción de turbiedad del agua para que sea apta para el consumo, se emplean procesos como coagulación-floculación. Al hablar de la coagulación se hacer referencia a la dosificación necesaria de los compuestos naturales y químicos como el sulfato de aluminio, el cloruro férrico, el carbonato de calcio y los polímeros orgánicos sintéticos, los cuales desestabilizan las partículas coloides que estén presentes, posterior a esto se realiza la floculación, la cual consiste en un aglutinamiento de las partículas en flóculos con peso específico mayor al agua, que después se sedimentaron que permitan su remoción de una manera más ágil y sencilla. En palabras de ^{Meza Leones et al. (2018}):

La desventaja que tiene estas sustancias químicas es que, una vez culminado el proceso de potabilización, permanecen en el agua en forma residual, acumulándose en el medio ambiente. En el caso del sulfato de aluminio es de fácil asimilación para los seres vivos, y su ingesta por un largo período de tiempo puede acarrear efectos adversos a la salud. Los animales que viven en ecosistemas acuáticos son unos de los más afectados por estas sustancias químicas.

Con el fin de alcanzar los parámetros de calidad del agua, se implementan dentro del tratamiento primario sistemas de floculación y coagulación, debido a la facilidad de remover y generar el floc, utilizando coagulantes químicos (^{Duarte y Mendoza, 2018}). A pesar de que estos coagulantes químicos son muy efectivos para generar floc y entre mayor la concentración mayor es el peso del floc, favoreciendo la remoción de color aparente, tienen una contraindicación y son las trazas residuales de aluminio u otros metales en el agua, las cuales, según ^{Trejo Vázquez y Hernández (2004}), demuestran que la ingestión de moderadas concentraciones de algunos metales, en especial el aluminio, causan enfermedades degenerativas en el ser humano a mediano y largo plazo (^{Berdonces, 2008}). Por eso es importante comenzar a introducir en estos tratamientos coagulantes naturales, que es una de las finalidades de esta investigación y, por tanto, se mencionan algunos a continuación.

La Moringa oleífera ha sido utilizada por la población mundial en su dieta desde hace muchos años atrás debido sus múltiples propiedades, una de ellas y la más relevante es el control de la glucosa y por este motivo es ideal para las personas que tienen como patología de base la diabetes (^{López-Romero et al., 2014}).

Por otro lado, la Opuntia ficus-Indica es considerada un coagulante ya que no le aporta ningún olor o sabor al agua, y además de esto tiene una densidad inferior a la del agua y también tiene un alto contenido de carbohidratos, siendo estas características lo que permite que se le atribuya la propiedad de polielectrolito (^{Martínez García y González, 2012}).

Se evidenció que con Opuntia ficus-indica hubo mayor porcentaje de eliminación del arsénico en comparación con los coagulantes tradicionales (químicos), además de lo anterior, también arrojó una remoción en color y en turbiedad, ya que tienden a aumentar a medida que se realiza una incrementación de la dosis de coagulantes para las condiciones que fueron investigadas por diferentes autores (^{Villabona et al., 2013}; ^{Bouaouine et al., 2019}).

Por otro lado, al revisar estudios con la Moringa oleífera como coagulante natural, se evidenció que su potencial para la eliminación de contaminantes del agua como: pesticidas, tintas y productos farmacológicos (Ueda et al., 2020) era demasiado alto, por tal motivo se decidió utilizar como uno de los coagulantes naturales. Este coagulante también puede ser favorable para el control de vectores transmisores de enfermedades en aguas estancadas, ya que se pudo evidenciar en investigaciones que utilizando el extracto de las semillas se logró evitar la incubación de las larvas de Aedes aegyptis a los medios de control empleados para evitar la aparición de los vectores potenciales. "Su función larvicida se atribuye a la lectina hidrosoluble contenida en sus extractos, lo que retarda el crecimiento de las larvas y su mortalidad" (^{Morillo, 2017}). También es importante hacer referencia a los estudios realizados por ^{Melo Vargas y Turriago Ríos (2012}), donde estos logran una remoción con apenas 300 mg de semilla/L, por lo que se atribuye a los sólidos totales en un 42,85 % de lograr una remoción, y en el caso de la turbiedad arrojó una equivalencia del 84,34%, en un periodo de 60 minutos y con presencia de una agitación fuerte por quince minutos, sin la necesidad de utilizar una método previo para la remoción de tipo filtrado, lo que generó un estímulo en esta investigación.

De este modo se pudo evidenciar que los coagulantes naturales no solo tienen un valor nutricional como en el caso de la Moringa ya que en diferentes análisis y estudios arrojaron que el contenido de sus hojas demuestran que hasta el 30 % del peso seco es proteína asimilable; pero si se mira desde el punto de vista de tratamiento de aguas, estos favorecen la salud pública ya que no se estaría utilizando ningún químico para la remoción de la turbiedad, "de igual manera se puede comparar con la cantidad de proteínas presentes en la leche en polvo ya que estas tiene un 35 % de este coagulante" (^{Keogh et al., 2017}).

Materiales y métodos

Los coagulantes naturales que se utilizaron en el transcurso de la investigación fueron semillas de Moringa oleifera y el mucílago de Opuntia ficus-indica. Para el caso de la Moringa se realizó la trituración de las semillas con la cáscara y sin la misma en una licuadora de uso común, posteriormente fueron pasadas por una criba donde se retiraron las partículas más grandes. En el caso de la Opuntia ficus-indica, se retiraron las tunas y toda la parte exterior para poder licuar el mucílago gelatinoso, de esta manera se realizó la verificación en porcentaje de cuánto fue la remoción de la turbiedad para cada uno y combinados, para lo anterior se tomó como referente el proceso que fue realizado por ^{Castillo Cohaila y Avendaño Cáceres para el uso de la Moringa (2020}).

Haciendo hincapié en los métodos de análisis de aguas, que fueron definidos en el libro Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA, 2017) se lograron determinar los parámetros necesarios de cada coagulante aplicando la técnica de test de jarras, para poder hallar el pH y la dosis óptima. En cuanto a la turbiedad inicial, en cada ensayo fue de 230 UNT. Hay que relevar que las sustancias fueron naturales y no se realizó ninguna adición de otro compuesto. Al final se realizó una prueba de hipótesis por medio de un análisis de varianza ANOVA, en cuyo caso se realizaron cuatro repeticiones por cada ensayo.

Equipos utilizados

En la tabla 1 se hace énfasis en los equipos que fueron utilizados para realizar las mediciones y los diferentes montajes para el desarrollo de toda la investigación, y allí se demostraron las diferentes características de marca, modelo y resolución entre otras.

Tabla 1 Equipos de laboratorio empleados durante el desarrollo de la investigación 

Nota. Elaboración propia.

Resultados

Después de realizar las indagaciones necesarias para poder definir la dosis óptima de los dos coagulantes naturales se realizaron varios ensayos de test de jarras, iniciando con cada sustancia individualmente y terminando con la combinación de estas. Después de dicho proceso, se concluyó que la dosis adecuada para la Moringa oleífera fue de 30 mg/L, con una turbiedad final entre 0,60 y 1,83 UNT, en su mejor caso y para la Opuntia ficus-indica fue de 1250 mg/L con una turbiedad final entre 0,40 y 1,40 UNT en su mejor resultado de remoción. En el caso de la combinación, la mejor condición fue aplicar un 50 % de la dosis óptima para ambos coagulantes; es decir, 15 mg/L como dosis de Moringa y 625 mg/L como dosis de Opuntia ficus-indica, para que al final arrojara una turbiedad final de 1,20 UNT, en su mejor valor (tabla 4).

Se planteó una evaluación con una estadística que es utilizada para comparar varianzas entre las medidas y de diferentes grupos (ANOVA), en este caso fueron dos factores con varias muestras por grupo las que fueron analizadas, donde posteriormente se procedió a tabular con el programa Microsoft Excel los datos obtenidos en la experimentación, en cuanto a la relación de pH y las dosis encontradas de las sustancias. En la tabla 3, se hizo un resumen de este análisis. En la tabla 2 se presentan los valores de pH de los coagulantes que fueron seleccionados para llevar a cabo la investigación.

Tabla 2  Dosis utilizada del coagulante frente a los valores de pH que se variaron  

Nota. Elaboración propia.

Tabla 3  Comparación de varianzas entre dos factores con varias muestras por grupo (ANOVA)  

Nota. Elaboración propia.

Discusión

Queriendo unos resultados óptimos para la aplicación de estos coagulantes naturales, se debe tener en cuenta que las semillas de Moringa deben estar secas o con muy poca humedad para lograr más tiempo de duración en su almacenamiento y para la Opuntia ficus indica, es la penca que se va a procesar para extraer su mucílago debe ser lo más fresca posible y así aprovechar al máximo sus efectos de coagulante y no se pierdan sus propiedades.

Cabe resaltar, que se obtuvieron datos relevantes para cada condición de tratamiento a dosificar, con los coagulantes naturales en mezcla y por separado, donde se logró identificar que el mejor promedio estadístico de los resultados en turbiedad final fue con la combinación de ambos coagulantes, donde se presenta un valor de 1,71 UNT, correspondiente a la relación de 50 % en cada dosis óptima, ver la comparación en la tabla 4.

Tabla 4  Análisis de varianza de los dos factores con diferentes muestras por separado y en mezcla  

Nota. Elaboración propia.

Al momento de realizar la evaluación con una estadística que es utilizada para comparar varianzas entre las medidas y de diferentes grupos, ver tabla 3, se fijaron como variables independientes la dosis y el pH, y como variable dependiente la turbiedad final, para luego encontrar el valor de F (función de prueba), en donde fue evidente que bajo la prueba de Fisher con los grados de libertad calculados 2 para dosis y 5 para pH, se obtuvo en cuanto a dosis una diferencia estadísticamente significativa, con una probabilidad muy pequeña de donde F es mucho mayor que F crítico y esto causó un comportamiento diferente sobre la turbiedad final, de tal manera se corrobora estadísticamente la veracidad de la dosis en el tratamiento, cuyo promedio en la combinación de los coagulantes de 1.71 UNT fue la menor. Por otro lado, para la definición de pH óptimo, se identificó que, teniendo el pH variado en la muestra a tratar, no existieron cambios estadísticamente significativos, que llegan a predominar un resultado o comportamiento diferente dentro de la distribución de probabilidad de Fisher; ver tabla 3, donde también se puede apreciar dentro de la interacción entre grupos que los promedios son valores muy similares corroborando lo dicho anteriormente.

Conclusiones

Se destaca que la Moringa Oleífera y la Opuntia ficus-indica, en su forma natural, dieron porcentajes de remoción por encima del 98 % con dosificaciones relativamente bajas, y alcanzando valores de turbiedad bajo la Resolución 2115 de 2007 "por medio de la cual se señalan características, instrumentos básicos y frecuencias del sistema de control y vigilancia para la calidad del agua para consumo humano", en donde da como valor máximo permitido para la turbiedad final 2 UNT. De igual forma ocurrió con la combinación, mejorando la turbiedad final.

También es muy importante decir, que el mejor promedio estadístico obtenido para la remoción de turbiedad fue con la combinación de ambas sustancias, cumpliendo de igual forma la Resolución 2115 de 2007 para consumo humano.

Pensando en un proceso tanto de aplicación como de extracción eficiente sobre los coagulantes, a estos no se le agregaron ningún compuesto químico para procesarlos y de esta manera se lograron obtener resultados muy positivos de remoción en cuanto a turbiedad, haciéndolo simple para la aplicación doméstica o industrial en plantas de tratamiento, además, porque estos coagulantes tienen un gran aporte de nutrientes al organismo humano y se pueden cultivar en nuestros suelos colombianos, favoreciendo la economía de nuestros campesinos. Los resultados obtenidos son una prueba muy fehaciente que podría hacer un cambio significativo para la salud pública y para el medio ambiente, ya que al finalizar el proceso de remoción los lodos que se están siendo obtenidos saldrán sin concentraciones de metales pesados y así poder impedir que se generen alteraciones en las composiciones orgánicas y actividad microbiana del suelo, siendo así una gran alternativa para que estos lodos puedan aprovecharse como abonos.