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Introducción
El agua, recurso vital que se encuentra en diferentes estados sobre la superficie de la tierra, y conforma aproximadamente el 70% del planeta. De este porcentaje el 97.39% son océanos y mares; el agua dulce está representada en grandes capas de hielo por un 2.01%, y tan sólo el 0.003% está disponible para el consumo humano de manera superficial [1].
En este sentido, se puede considerar al agua como un recurso escaso, no sólo por su disponibilidad sino también por su inadecuada distribución [2]. La ONU, asegura que alrededor de 1.2 billones de personas no tienen acceso al agua potable [3], cabe señalar que existen sitios con disponibilidad de agua, pero se encuentra con altos niveles de contaminación. Lo que hace propenso a los seres humanos, a las enfermedades que se pueden contraer debido al agua no potabilizada.
El agua está ligada directamente con el desarrollo de distintas formas de vida, en el caso particular de los seres humanos, dado que para que se encuentre en condiciones de ser consumida debe experimentar una serie de procesos convencionales para su potabilización, como la captación, canalización, floculación, decantación, filtración, cloración o desinfección, alcalinización y distribución [4].
La turbidez es uno de los parámetros más importantes en la calidad del agua de consumo, y su remoción uno de los principales objetivos de su tratamiento [5]; La técnica que es usada comúnmente para la desestabilización de impurezas coloidales y disueltas, se conoce como coagulación, ésta produce agregados de flóculos grandes que pueden ser removidos mediante procedimientos como la filtración y clarificación del agua [6]; así, en el transcurso del tratamiento se aplican coagulantes químicos como sulfato de aluminio, sulfato férrico y polielectrolitos sintéticos para eliminar la turbidez al máximo [7][8].
El tratamiento del agua es el conjunto de técnicas que se realizan sobre el agua cruda, particularmente en este estudio sobre aguas superficiales, con el fin de eliminar o reducir contaminantes bacteriológicos y lograr que sus características físicas y químicas cumplan lo que se encuentra estipulado en las normas que la regulan [9]. Los parámetros físicos y químicos que debe cumplir el agua para que esta sea apta para el consumo humano los determina la Normativa de Calidad Ambiental, en el Libro VI, donde se indican los criterios de calidad y los límites máximos permisibles, para parámetros relacionados con la presencia de metales, aceites, bacterias, color, olor, sabor, turbiedad entre otros [10].
En varios países de América Latina y el Caribe, las enfermedades a consecuencia del agua no potabilizada se encuentran entre las diez causas más frecuentes de defunción [11].
La técnica más convencional en las plantas de tratamiento de agua es el uso del sulfato de aluminio, el cual es cuestionado por diferentes estudios que indican que sus residuos, provocan enfermedades neurodegenerativas. [9][12][13][14][15].
Se han realizado investigaciones que demuestran que el aluminio absorbido se acumula en varios tejidos como el hígado, huesos, cerebro, además interfiere en el transporte de hierro produciendo anemia, también disminuye la absorción del calcio originando dolores, deformaciones y fracturas en los huesos [16][17].
Sin embargo, del amplio rango de coagulantes que existen para el tratamiento de aguas, sobre todo para eliminar la turbidez y desinfectar la misma, existen los llamados coagulantes naturales como el exudado gomoso producido por Samanea saman [18], la corteza del Cactus lefaria [19] y las semillas sin grasa de Moringa oleifera [20][15].
El árbol de la Moringa oleifera, originario del sur del Himalaya se encuentra también en América [21] y conocido mundialmente como "el árbol milagroso" [22][23], debido a que es resistente a aquellas zonas de extrema pobreza de suelos, zonas áridas y semiáridas. Los extractos de todas las partes de la planta contienen propiedades farmacológicas, reconocidas por la comunidad científica. Las semillas presentan actividad antimicrobiana contra hongos y bacterias [24] además, su acción bactericida asegura su uso en la potabilización de agua. [25][26][27][28][29], su semilla es de vital importancia para la purificación y eliminación de bacterias entre otros [21].
La semilla de Moringa oleifera, debido a su origen natural se convierte en la mejor alternativa para la eliminación de la turbidez y bacterias que se encuentran suspendidas en el agua superficial, como son ríos, lagos, etc. Que son las fuentes de agua utilizadas sobre todo en las comunidades rurales o donde no existe una red de agua potable.
Experimentos realizados con la semilla de Moringa oleifera han demostrado que elimina en un porcentaje alto los niveles de turbiedad y color. Un estudio realizado por Angelica Marquetotti, Marcelo Vieira, Gabriel Silva y otros (2010), concluyó que la remoción de la turbidez, con un tiempo de agitación de 60 minutos, alcanzó una eficiencia del 99%. El valor inicial de la turbidez de un agua residual fue de 912 NTU, luego del último paso del proceso, éste valor decreció a 1.96 NTU.
Un estudio realizado en Brasil, concluyó que el efecto de la semilla de Moringa oleifera es similar al del sulfato de aluminio, pero de manera natural en la coagulación de aguas [30]. La acción coagulante es realizada por determinadas proteínas floculantes que han sido extraídas de las semillas de Moringa oleífera. Se trata de proteínas catiónicas divalentes con una masa molar de 13 kDa y puntos isoeléctricos entre 10 y 11. El mecanismo de coagulación está vinculado a la adsorción y neutralización de las cargas coloidales [31][32][28].
Investigadores brasileños han registrado que para concentraciones de 0.4 g L-1 en un tiempo de 2 horas, la remoción de la turbidez es de un 98 %> y la eliminación de coliformes fecales es del 100 % [33].
Hoy en día se cuenta con una mayor variedad de procesos de filtración [34], teniendo así:
De los filtros antes citados en la presente investigación se considera la filtración lenta, para ratas menores a 12 m3/m2/ día.
Filtros lentos ascendentes
Los filtros lentos ascendentes, usados en Escocia desde la última Guerra Mundial, obteniéndose una eliminación de bacterias hasta el 100% para contaminaciones de NMP (Número más probable) 180 [34].
En el sistema de experimentación de la semilla Moringa oleifera, la entrada de agua se dirigirá al filtro lento ascendente en donde se realiza el mayor proceso de potabilización del agua.
El Filtro Lento Ascendente en el proceso de potabilización, presenta su mayor efectividad para niveles de turbiedad que no sobrepasan los 100 NTU (significado de NTU), y cuando el contenido de color no es alto (mayor a 50 Hazen); De datos tomados por la SENAGUA, el Río Santiago AJ Río Cayapas, presenta una turbiedad de 29.7 NTU y color de 41 Hazen [35].
Materiales y métodos
La aplicación de este proyecto de investigación se ejecutará en la comunidad de Pichiyacu de los Cayapas, ubicada en el Ecuador, provincia de Esmeraldas, cantón Eloy Alfaro. Esta comunidad ha sido considerada para la realización de este estudio tomando en cuenta la cantidad de enfermedades que se suscitan a diario, a causa del inadecuado tratamiento del agua de consumo humano, y además considerando la vulneración de sus derechos de acceso a agua de calidad, descrita en la Ley de Recursos Hídricos, y en la Constitución de la República del Ecuador en los artículos, 12, 313, 318 [36].
Diseño del filtro
Para aplicar las propiedades de la Moringa oleifera se lo realizará mediante un Filtro Lento Ascendente que constará de 3 capas, las cuales son grava de diferentes diámetro y arena.
El filtro de grava disminuye la carga de material en suspensión con diámetros de hasta 10 mm, antes de la filtración en arena. Para el diseño se considera 5 personas por familia y una dotación 200 l/hab/día, para un caudal "Q" = 0.012 l/s.
Las normas recomiendan una velocidad de filtración "Vf" de 0.10 a 0.60 m/h, en razón inversa a la calidad del agua, para nuestro caso se asume una Vf=0.40 m/h.
El área del filtro se determina aplicando la ecuación:
A = 0.108 m2, el tanque de PVC de 55 galones con un área de 0.19 m2, cumpliendo este requerimiento.
El filtro convencional considera 3 tramos, longitudes de estos están en función del grado de turbidez a eliminar, los cuales son determinados así:
Donde:
Cl = Turbidez a la salida
Co = Turbidez a la entrada
Li = Longitud del tramo
a = Módulo de impedimento
El módulo de impedimento es función de la velocidad de filtración y del diámetro de la grava. El CEPIS (Pan-American Center for Sanitary Engineering and Environmental Sciences), determinó los valores del módulo de impedimento, presentados en la siguiente tabla:
De aplicar la Ec. (2), se presenta los siguientes resultados:
Tabla N° 2. Longitudes del filtro.
Fuente: propia.
Nota.- Al ser la turbidez del agua de Rio Santiago AJ Río Cayapas 29.7 NTU, se asume alturas mínimas para el filtro.
La primera capa será de grava de 2 a 3 cm con un espesor de 20 cm y un coeficiente de permeabilidad de 0.1 (cm/s) [34; la segunda capa es de piedra chispa de 0.5 cm con un espesor de 10 cm y la tercera corresponde a la arena con un espesor 30 cm y un coeficiente de permeabilidad que va de 10-2 - 10-5 m/s.
El filtro actúa sobre la calidad física, química y bacteriológica del agua superficial, sin que exista la necesidad de adicionar compuestos químicos. El proceso de potabilización consiste en colocar en el fondo del tanque de almacenamiento una capa de grava fina y arena que esta permita que actúe como filtro lento; las capas filtrantes de grava, piedra chispa y arena disminuyen su grosor a medida que se asciende [37. Se introduce el agua por los drenes y se deja que ascienda a través del lecho filtrante y se debe recolectar en la parte superior.
La fibra de coco usada como capa biológica en este filtro ayuda en el proceso del tratamiento biológico y físico del caudal que ingresa. El influente escurre a través de una cama de material poroso orgánico (turba, paja, pasto, madera, etc.) de forma lenta, lo cual permite la colonización de la cama por microorganismos adaptados a los contaminantes presentes en el agua, así como la retención física de los mismos; los microorganismos forman una bio-película que se transforma en el principal instrumento de depuración [40].
El lavado se efectúa abriendo la válvula de drenaje durante 5min, cada dos meses aproximadamente o cuando la pérdida de carga alcance a 1.20. El nivel de agua sobre la arena no debe ser menor de 60 cm, cuando se realiza el lavado.
La arena requiere muy poco o ningún lavado y dura indefinidamente ya que no hay desagüe o pérdida [34].
Resultados
En el año 2011, la Secretaría Nacional del Agua, realizó un informe técnico sobre la calidad del agua en los cantones San Lorenzo, y Eloy Alfaro en la provincia de Esmeraldas, de donde se ha tomado los valores para realizar la comparación con los parámetros máximos permisibles establecidos en la Normativa Ambiental, como se detalla en la siguiente tabla:
Tabla N° 3. Parámetros de los ríos Santiago y río Cayapas.
| Parámetros | Expresado como | Unidades | Río Santiago AJ Río Cayapas | Límites máximos Permisibles |
|---|---|---|---|---|
| Coliformes Fecales | nmp/100 ml | 11 | 600 | |
| Coliformes Totales | nmp/100 ml | 140 | 3000 | |
| Color | Color Real | Unidades de color | 41 | 100 No menor al 80% del |
| Oxígeno Disuelto | O.D | mg/l | 5.36 | oxígeno de saturación y no menor a 6 mg/l |
| Potencial Hidrógeno | pH | 6.79 | 6 - 9 | |
| Sólidos Totales | mg/l | 66 | 1000 | |
| Turbiedad | UTN | 29.7 | 100 |
Fuente: Senagua (2011) - Normativa Ambiental NM: Parámetro NO medido.
Se puede observar que el tramo analizado del Río Santiago cuenta con valores menores a los máximos permisibles por lo que el tratamiento convencional para la desinfección y eliminación de la turbidez resultaría efectivo; la presente investigación propone potabilizar el agua mediante el tratamiento con la semilla de Moringa oleifera junto con el filtro lento ascendente. Estudios realizados por el Ing. Pedro Antonio Estrella Pesantes, MSc. [7]., para el agua del Río Daule-Guayas - Ecuador, presenta los promedios siguientes:
Discusión
Investigaciones científicas, entre ellas, la Universidad Autónoma de Chihuahua-México, Universidad de Río Grande del Norte - Brasil, Universidad de Pensilvania, Universidad de Miami-Estados Unidos de Norte América, demuestran los beneficios de la Moringa oleifera [33], [30], [38], [39].
El PVC requiere muchos años para su degradación, en específico el polietileno, componente en el 100% de los tanques a utilizar en el diseño del filtro lento ascendente; se considera un termoplástico fuerte, ligero y con muy buena resistencia química, las paredes lisas del tanque evitan el crecimiento de bacterias; para el uso como almacenamiento estos tanques garantizan hermeticidad, evitando la contaminación del agua.
Conclusiones
El costo de implantación, operación y mantenimiento del filtro lento ascendente es bajo, dado que los materiales como la arena, piedra y estopa de coco, se obtienen del mismo entorno y el mantenimiento puede ser realizado por la misma familia.
La Moringa oleifera es una alternativa ecológica que actúa como coagulante para la desinfección y eliminación de coliformes fecales presentados en el agua cruda de hasta un 100%, es decir, sin el uso adicional de químicos.
La cáscara de la Moringa oleifera al contener mejores propiedades que el sulfato de aluminio, por procedimiento natural, elimina también la turbidez en porcentajes superiores al 90%, generando aguas con valores de turbidez menores a 5,80 NTU. Cabe señalar que estudios científicos relacionan a los residuos del sulfato de aluminio con el desarrollo de la enfermedad del Alzheimer.
