3.1. Generalidades del tratamiento del agua

El tratamiento del agua puede dividirse en tres categorías principales: la purificación para uso doméstico, el tratamiento para aplicaciones industriales especializadas y el tratamiento de las aguas residuales para hacerlas aceptables para su vertimiento o vertido o su reutilización(¹¹), pudiéndose agruparse estos tratamientos en físicos, químicos y tratamientos de intercambio iónico, además de tratamientos para los hongos, algas, microbios, etc.(¹²).

El tipo de tratamiento del agua depende del uso que se le dará(¹¹), como ser abastecimiento de la población, uso agrario, usos industriales, acuicultura, usos recreativos y otros usos(¹³). El objeto del tratamiento es reducir los contenidos indeseables presentes en el agua por debajo de lo establecido en la normativa de calidad(³). Se debe eliminar las partículas suspendidas que le confieren turbidez y color indeseables al agua(¹⁴) , lo cual involucra el uso de coagulantes para remover turbidez en la forma de material suspendido y coloidal(¹⁵).

En la potabilización del agua se han estudiado diferentes parámetros, como ser la turbidez, color, pH, alcalinidad(¹⁶), la eficiencia de la operación de sedimentación(¹⁷), dosis de coagulante, velocidad de mezcla rápida y velocidad de mezcla lenta(¹⁸).

Se realiza con el fin de remover o reducir sus contaminantes(¹⁹), pero por las características físicas, químicas y microbiológicas diferentes del agua según la fuente de captación no todos los reactivos aplicados funcionan con la misma eficacia(²⁰), por lo que debe establecerse el proceso de remediación a usarse para remover la contaminación del agua(²¹), que depende de las características del agua a tratar(²), evitándose así obtener una calidad de agua no deseada(²²), para que se suministre agua de consumo público que esté libre de contaminantes peligrosos para la salud y que sea comestible(²³).

3.2. Turbidez del agua

La turbidez del agua cruda puede variar ampliamente desde valores prácticamente de cero hasta miles de UNT(²³); y ocurre por la presencia de partículas suspendidas y disueltas en ella. El tamaño de las partículas puede ir desde partículas coloidales hasta partículas macroscópicas(²⁴), de dimensiones variables, desde 10 nm hasta diámetros del orden de 0,1 mm asociados a minerales, partículas orgánicas húmicas (provenientes de la descomposición o agregación de restos vegetales y partículas filamentosas como restos de amiantos u otros filosilicatos(²⁵), partículas de arcilla, cieno, fibras vegetales o microorganismos(²⁶) que ocasionan la falta de transparencia del agua(²⁷).

La turbidez varía con el tiempo de forma decreciente debido a la deposición de partículas por acción de la gravedad o mecanismos de coagulación y floculación natural de las partículas coloidales(²⁸), debiendo controlarse en forma estricta en cada etapa del tratamiento(²⁹), considerándose en general que la turbidez es causada por las partículas de materias inorgánicas(²²), aunque no constituye un análisis cuantitativo de los sólidos en suspensión sino que mide qué tanto es absorbida o dispersada la luz por la materia en suspensión(³⁰).

La turbidez por encima de 5 UNT puede ser perceptible y en consecuencia generar reparos por parte del consumidor(³¹), además, interfiere con la mayoría de procesos a que se pueda destinar(³²) y que, aunque no es una propiedad inherente al agua, constituye un indicador de la calidad de las aguas públicas(³³). En las aguas superficiales es normal que se manifieste; mientras que en las subterráneas no ocurre(³⁴).

El contenido de turbidez típico de diferentes líquidos varía desde 0,02 a 2 000 UNT (Tabla 1) y la medición de ella en el nefelómetro utiliza un diodo de luz infrarroja que emite luz a 890 nm(³³).

3.3. Proceso de clarificación del agua

La clarificación constituye el proceso más importante en el tratamiento convencional del agua(³⁵).

En la clarificación del agua conceptualmente se tiene a la coagulación, floculación y sedimentación como partes del proceso(¹⁹), constituyendo la coagulación y la floculación procesos esenciales en el tratamiento de la mayoría de aguas superficiales(²³), siendo muchos los factores en la calidad del agua que afectan su resultado(³⁶).

Para la clarificación se utilizan diversos coagulantes/floculantes(³⁷), que actúan contra las diversas substancias químicas y biológicas disueltas o suspendidas en ella(³⁸), constituyendo un método químico(³⁹), que se realiza para la potabilización del agua(²²), y de su correcta realización dependerá el lograr la meta de remover las impurezas contenidas en el agua(¹⁹). La dosis óptima de coagulante será la que ofrezca mejores resultados en cuanto a remoción de color y turbiedad sin causar descenso fuerte en el pH(⁴⁰).

3.4. Coagulación

Reacción que inicia en el momento de la adición de los coagulantes al agua(⁴¹), con el propósito de desestabilizar los coloides(⁴²) o sólidos suspendidos y no los disueltos(⁴³) y para el transporte de las partículas dentro de ella(⁴⁴), efecto que se logra al reducir las fuerzas de separación entre las partículas(⁴⁵).

Las partículas coloidales tienen cargas superficiales electrostáticas que originan fuerzas de repulsión entre ellas que impiden que se aglomeren(³²) y que con sustancias que se agregan para reducir la carga de los iones se aglutinan los sólidos en suspensión(⁴⁶) restando la tendencia de los coloides a repelerse entre sí por la adición de productos que aportan iones con carga positiva al agua que contiene coloides con carga negativa(⁴⁷).

La selección del tipo óptimo de coagulante, así como su dosificación, deben determinarse experimentalmente para cualquier tipo de agua o agua residual(⁴⁸) debido a que es un proceso muy complejo(³) en el que para potabilizar el agua se hace uso de insumos químicos(⁴), siendo la dosis del coagulante dependiente de las características de la fuente de agua y del tipo de coagulante a utilizar(⁴⁹).

La coagulación es parte fundamental del proceso de tratamiento del agua (⁵⁰) en la que el sulfato de aluminio y el sulfato férrico gozan casi de exclusividad(⁸), no existiendo una fórmula que establezca que coagulante o que cantidad de coagulante es la necesaria(³⁹). Así, con poca cantidad de coagulante, la cantidad de turbidez residual es elevada; o con alta cantidad de coagulante la turbidez residual es igualmente elevada(⁴⁵); manifestándose que las dosis son muy pequeñas, de unos pocos gramos a 100-150 g/m3 (³).

Existen tres clases de coagulación(⁴⁴): adsorción-desestabilización (neutralización de la carga o compresión de doble lecho), puente químico (unión de partículas por medio de cadenas poliméricas) e incorporación (producción de precipitado); hay implicación entre la neutralización de cargas, la interacción entre el coagulante químico y una carga contaminante(⁴⁵); en el caso del puente químico, se establece debido a que las moléculas del polímero son muy largas y contienen grupos químicos que absorben las partículas coloidales(²²); mientras que la coagulación por incorporación o de barrido no es una verdadera coagulación debido a que al utilizarse altas dosis de coagulante se excede su solubilidad, formándose una masa esponjosa que atrapa a los coloides y partículas en suspensión en su precipitación(⁴⁴).

Previamente se realiza la mezcla rápida que para la mayoría de las aguas se realiza entre 30 a 60 segundos(⁴⁹) y la coagulación o floculación se realiza después del mezclado con tiempos de retención que oscilan entre 15 y 45 minutos(⁵¹), teniendo la coagulación-floculación un rol significativo en el tratamiento del agua para beber(⁵²). Este proceso de coagulación se realiza en 3 etapas separadas: adición de los coagulantes, dispersión de los coagulantes (mezcla rápida) y aglutinación de partículas (mezcla lenta)(⁵³), debiendo este proceso ser controlado muy bien por ser una de las etapas más importantes del tratamiento del agua(²).

3.5. Floculación

Es la agregación de los coloides(¹), en la que las partículas desestabilizadas se unen por enlaces de hidrógeno o fuerzas de Van der Waals(²³) para lo cual se utilizan compuestos puente que forman enlaces químicos entre las partículas coloidales y “enmallan” las partículas en masas relativamente mayores llamadas redes de flóculos(¹¹); propician su agrupamiento en flóculos más grandes que se ven favorecidos por una agitación baja que evite dañar la débil cohesión al considerar que una agitación lenta mayor a 15 a 20 minutos homogeniza mejor el tamaño de los flóculos y aumenta sus densidades(³), formando básicamente de un número grande de pequeñas partículas un número más pequeño de partículas más grandes(⁵⁴), los cuales serán eliminados del agua mediante sedimentación, flotación o filtración(³⁰).

Los flóculos que se forman tienen aspectos de grumos esponjosos de forma irregular que atrapan los coloides pequeños no coagulados al asentarse al fondo(⁴⁷); y que al no ser una reacción química se precisa una agitación moderada que ponga en contacto las partículas con el reactivo manteniéndolos en suspensión(⁵⁵).

3.6. Sedimentación

Proceso de remoción de las partículas en suspensión del agua que son removidas por efecto de la gravedad reflejándose en esta el adecuado proceso de coagulación floculación(²), llevándose a cabo la agregación de las impurezas muy pequeñas en agregados de mayor tamaño que permiten su separación satisfactoria del agua por sedimentación(⁴⁸), la cual se logra dejando sedimentar el agua o filtrándola o realizando estos procesos secuencialmente que es lo común(⁵³).

El proceso de eliminar materiales en suspensión se realiza empleando un tiempo de retención adecuado. Estos sólidos están constituidos generalmente por arenas, limos y coloides agrupados mediante las etapas anteriores de coagulación y floculación(¹⁹), realizándose su eliminación mediante sedimentación forzada químicamente(¹³) en la que el agua se conduce por un periodo de tiempo a velocidades muy lentas y permitiendo la decantación de los flóculos formados(¹).

Luego de agregar coagulantes al agua se mejora la remoción de los contaminantes(⁴⁵) mediante el incremento del tamaño del flóculo y la consecuente rapidez de la sedimentación(³⁹); se retira las partículas portadoras de bacterias que le dan color y turbidez al agua(⁴⁶); sin embargo, las partículas que se forman en la coagulación podrían ser todavía pequeñas y con densidad insuficiente(³²).

3.7. Coagulantes

La selección del coagulante es un proceso en el que se consideran varios criterios de modo que se garantice las óptimas condiciones del tratamiento en el equipo de clarificación con la consecuente mejor calidad del agua tratada y a un menor costo(¹⁹).

Se clasifican en dos grupos: inorgánicos y orgánicos(⁵⁷).

3.8. Coagulantes inorgánicos (químicos)

Los coagulantes químicos más usados en el mundo para el tratamiento del agua, que pueden ser simples o polimerizados, son el sulfato de aluminio (⁵⁸), las sales de hierro y la cal(⁵⁷); cada coagulante tiene un valor de pH específico donde ocurre la mínima solubilidad y la máxima precipitación(¹⁹).

La utilización de coagulantes químicos tiene diversas desventajas como su costo alto, producción de elevados volúmenes de lodo y con su tratamiento se afecta el pH del agua(⁵⁹), que puede llevar a cabo la desestabilización de los coloides como ayuda de la coagulación y otros por diferentes maneras(⁵⁷).

3.9. Coagulantes orgánicos (naturales)

Los coagulantes naturales tienen importancia ambiental y ecológica(⁶⁰); se considera, por ejemplo, la alternativa de la fitorremediación por la capacidad de las plantas para absorber, acumular, metabolizar, volatilizar o estabilizar contaminantes del suelo, aire, agua o sedimentos(⁶¹).

Entre los polímeros orgánicos naturales se tiene al almidón y los derivados de la celulosa, materiales proteicos y gomas compuestas por polisacáridos(¹¹) que generalmente no tienen un peso molecular tan alto como los polímeros sintéticos(³⁹). Los polímeros catiónicos funcionan como agentes desestabilizantes por formación de enlaces de puente, neutralización de carga o ambos(⁴⁸).

3.10. Tratamiento del agua con sustancias naturales

El uso de agentes químicos permite remover los sólidos suspendidos clarificando el agua(¹⁴), constituyendo los coagulantes de hierro y aluminio la primera opción, por ejemplo, para el tratamiento de las aguas residuales; sin embargo, es objeto de discusión su posible afectación a la salud humana(⁴³), como por ejemplo el mal de Alzhemier(⁶²), por lo que existe interés en el desarrollo de coagulantes naturales alternativos(⁶³) que pueden ser obtenidos de semillas, hojas, cortezas o savia, raíces y frutos de árboles y plantas(⁶⁴) o de sus extractos vegetales(⁶⁵), observándose en estos que aumenta la remoción del material en suspensión conforme aumenta la dosis de coagulante(⁵⁹), constituyendo una alternativa técnica a los coagulantes convencionales, con beneficios para la salud pública, además de la preservación del medio ambiente (⁶⁶).

Constituyen una gran alternativa por su mínimo o nulo efecto negativo en la salud(⁶⁵) con efectividad comprobada para remover turbidez y color del agua(⁴⁶) que se pueden obtener de sustancias animales o vegetales(²²) y de microorganismos(⁵⁷); existe considerable interés en su utilización(¹⁵) por su obtención de la naturaleza sin ningún proceso invasivo y por haberse eliminado el paradigma de los productos químicos en la clarificación del agua(⁵⁸).

En la clarificación del agua, utilizando agentes naturales, se consideran factores como concentración y proporción de los coagulantes, pH y velocidad de agitación(⁶⁷); en dicho proceso se observa que la velocidad de agitación tiene incidencia en la acción clarificante para llegar hasta las partículas más dispersas que aumentan la eficiencia(⁶⁸) en el proceso de remoción de turbidez del agua(⁶⁹).

Como coagulantes naturales se utilizan cactáceas(⁶⁸,⁷⁰); así las hojas de tuna (Opuntia ficus-indica) registran eficiencia en remoción de color de 94 % en agua artificial(⁷¹); el almidón de plátano, aunque presentó una sedimentación lenta, sirve como ayuda en la floculación(⁷²); la goma de tara permite un rápido proceso de coagulación(⁷³); las semillas del Neem y el maíz demostraron ser alternativas asequibles y sostenibles en la potabilización del agua(⁴⁶); las semillas de tamarindo muestran un gran desempeño en la remoción de turbidez de aguas residuales muy turbias, pero no en aguas residuales de baja turbidez(⁷⁴), taninos extraídos a partir de cáscara de manzana alcanzaron eficiencia de reducción de la turbidez del agua superior a 70 %(⁶⁹); el quitosano, como ayudante de floculación, permite reducir hasta en 50% el uso del coagulante primario sin afectar el resultado de manera considerable(⁷⁵); taninos y mucílagos favorecen la remediación de efluentes de industrias textileras y de curtiembres(⁴³), permitiendo tener los sistemas de abastecimiento de agua sustentables de acuerdo a los principios de la química verde(⁷⁶).

En la clarificación del agua se usan diferentes concentraciones de coagulante(⁷⁷); y para el tratamiento con coagulantes naturales se utiliza agua turbia natural(⁷⁸) o agua artificial(⁷¹) influyendo en el proceso factores químicos e hidráulicos que determinan la selección del mejor coagulante y su dosis óptima, siendo necesario realizar la prueba de jarras(³⁹). El almidón de plátano (Musa paradisiaca) se usó a dosis de 0,1 a 5 mg/L(⁷⁹), polvo de la semilla de la Cassia fistula en dosis de 15-25 mg/L(⁸⁰), extracto en polvo obtenido de penca de tuna (Opuntia ficus-indica) en dosis de 50 a 90 mg/L(⁸¹), goma tara en solución al 10 % a una dosis de 10 ml/L(¹⁸).

3.11. Tratamiento del agua con semilla de moringa

Las semillas de moringa provienen de las vainas de la Moringa oleifera Lam. de la familia Moringaceae. Es un árbol árbol originario del noroeste de la India(⁸²). Actualmente es cultivada en casi todo el mundo porque es complaciente con el medio ambiente capaz de soportar la inclemencia del mismo(⁸³), siendo la especie de árbol con más rápido crecimiento en el mundo(⁸⁴).

Las semillas sirven para la purificación del agua potable y para la sedimentación de partículas minerales orgánicas en aguas residuales(⁸⁵), como parte de la fitorremediación del agua(⁶¹), siendo utilizada como coagulante del agua en plantas de tratamiento convencional(⁸⁶) constituyendo un viable reemplazo coagulante en el tratamiento del agua por sus propiedades químicas semejantes al sulfato de aluminio(⁸⁷), esto ya que contienen un floculante natural tipo electrolito con función aniónica y catiónica, con excelentes propiedades coagulantes con importantes cantidades de aminoácidos polares con carga neta positiva y negativa(⁷⁹) y que además de utilizarse para purificar agua, se emplea en la industria de pulpas y jugos para flocular y sedimentar y en la industria cervecera para sedimentar levaduras eliminando la turbidez y otorgándole brillantez al producto(⁸⁵).

3.12. Dosis de semilla de moringa en la clarificación del agua

Para el tratamiento de coagulación la semilla de moringa se clasifica, seca, muele y tamiza, y posteriormente se desengrasa(⁸⁹); se realiza la molienda en un molino hasta obtener una harina blanco amarillenta(⁹⁰), para entonces pesarla a una cantidad relativa masa volumen para añadirle agua destilada(⁹¹); o como mencionan otros autores se utilizan las semillas de moringa cruda(⁶⁵) que se muelen(¹⁴) para preparar el extracto en agua destilada(⁹²) o NaCl(⁴⁶).

Se mencionan diversas dosis para el uso de semilla de moringa en el tratamiento del agua, así se logra reducir la turbidez del agua en un 64% utilizando 0,013 g/L en el tratamiento del agua con 50 UNT(⁹³); remueven 87,4% de turbiedad, para un valor de turbidez inicial de 40 UNT, utilizándose casi el doble de dosis con 0,025 g/L(⁹⁰), mientras que se logra utilizando dosis de semillas de hasta 0,25 g/L reducir la turbidez del agua hasta en 90% (⁹⁴) y otros autores reportan que la semilla de moringa tiene la capacidad de remover la turbidez del agua por encima de 88% (⁹⁵), 96,23% (⁹⁶), 95% mínimo(⁹⁷); manifestándose que no ocurre modificación significativa del pH durante el tratamiento de coagulación(⁸⁹).

3.13. Velocidad de floculación con semilla de moringa

En lo referente a al uso de diferentes velocidades de floculación, diversos autores indican haber alcanzado reducción en los niveles de turbidez del agua de 88 al 95 %, así; utilizando semillas de moringa con una velocidad de floculación de 45 rpm, obtuvieron una remoción de la turbidez del agua de 95 %(⁴⁶) y con una velocidad de floculación de 50 rpm se encontró una eficiencia ligeramente inferior a cuando se utiliza sulfato de aluminio, siendo de hasta 88 % la remoción de la turbidez (⁶³). En aguas residuales de una central de sacrificio con velocidad de floculación de 30 rpm, se removió hasta 86,7 % de turbidez del agua(⁹⁸); y finalmente se obtuvieron eficiencias en la remoción de la turbidez superiores a 90 % con velocidad de floculación de 30 rpm(⁸⁹); y con 40 rpm de velocidad de floculación, lograron remover más de 95% de turbiedad(⁹⁹).

3.14. Tiempo de sedimentación

El tiempo de sedimentación utilizado en diferentes investigaciones es variado, así utilizando semillas de moringa, se obtuvo 64% de remoción de turbidez del agua, pero aplicaron solo 15 minutos de tiempo para la sedimentación de los flóculos(⁹³); eliminaron el 86,7% de la turbidez de aguas residuales utilizando semillas de moringa, pero con tan solo 20 minutos de tiempo de sedimentación(⁹⁸); y empleando una mezcla de moringa y alumbre con 15 minutos de sedimentación, alcanzaron una remoción de turbidez de 99,5%(⁹).