Effect of pH of water with high turbidity on the efficiency of the coagulant Opuntia ficus indica

Abstract
Coagulants are efficient within particular pH ranges, for this reason it is important to determine the pH during the treatment of the water by coagulation-flocculation, since it affects the time for the formation of floc and the required doses. The aim of this research is to evaluate the effect of pH of water with high turbidity on the efficacy of the coagulant Opuntia ficus indica (desiccated) during clarification. Synthetic water with turbidity values of 100, 150 and 200 NTU was used and the pH varied to 5, 7.5 and 9 units. The coagulant O. ficus indica was prepared at a concentration of 10% m/v, the doses of 50, 100, 150, 200 and 250 ppm being evaluated. The clarification steps were simulated: coagulation, flocculation, sedimentation and filtration, and pH, color and turbidity parameters were determined before and after each treatment. The pH variation at values of 5, 7.5 and 9 units, in waters with high initial turbidity (100, 150 and 200 NTU), did not affect the efficiency of the coagulant. Desiccated O. ficus indica removes more than 85% turbidity with optimal doses of 50 and 100 ppm. The residual turbidity was in the range of 1 to 4 NTU after filtration treatment, complying with environmental regulations. The coagulant Opuntia ficus indica represents an alternative to traditional coagulants and an environmentally friendly option for turbid waters with different pH values, requiring clarification.

Key words
Opuntia ficus indica, coagulant, pH, water with high turbidity, clarification

Artículo completo
Introducción

El potencial de hidrógeno (pH) es un indicador de las condiciones ácidas y básicas del agua. Es un parámetro simple, pero extremadamente importante, ya que la mayoría de las reacciones químicas en el medio ambiente acuático están controladas por los cambio en su valor.¹ Además, tiene efecto sobre el proceso de coagulación, puesto que afecta el tiempo requerido para la formación de floc y la carga sobre las partículas coloidales. Debido a que los coagulantes operan mejor dentro de intervalos particulares de pH, la observación y el registro del pH ayudan al operador a seleccionar la dosis y el tipo de coagulante, así como a tomar decisiones sobre la necesidad de ajustar su valor antes de aplicar un coagulante con el objetivo de optimizar los productos, obtener mayor rendimiento y minimizar los costos.²

Entre las nuevas alternativas a los coagulantes tradicionales (sulfato de aluminio, cloruro férrico y policloruro de aluminio), se destacan los coagulantes naturales, por su facilidad de obtención y bondades ambientales; los coagulantes pertenecientes al género Opuntia se encuentran entre los más estudiados. La potencialidad de las especies del género Opuntia ha sido descrita por varios autores, se destaca su utilización en la elaboración de numerosos productos tales como: mermeladas, harinas deshidratadas, conservas, jugos, confituras, bebidas alcohólicas y fuentes de pigmentos naturales, que presentan efectos antioxidantes, anticancerígenos, antimicrobianos y contribuyen a combatir la aterosclerosis. Son fuente natural de carbohidratos, proteínas, grasas y micronutrientes, como vitaminas y minerales. Adicionalmente, contienen pectinas, fitoquímicos y mucílagos, y se ha descrito que el consumo de las raquetas o cladodios favorece la disminución de los niveles de colesterol, de triglicéridos y la hipoglucemia.^3,4

En el caso del tratamiento de aguas, algunos estudios han demostrado la eficiencia del genero Opuntia en forma cruda y desecada como coagulante durante la clarificación de las aguas de baja, media y alta turbidez, con resultados satisfactorios en la remoción de turbidez y color. Entre las especies evaluadas para el tratamiento de las aguas se encuentran: Opuntia dilleni,⁵ Opuntia wentiana,⁶ Opuntia cochinellifera,⁷ Opuntia ssp.⁸ y Opuntia ficus indica.^9,10

Es importante mencionar algunas propiedades coagulantes-floculantes más destacadas del mucílago de Opuntia ficus indica, tales como: buena capacidad de formación de flóculos, mayor velocidad de sedimentación con baja producción de lodos y gran capacidad biodegradable, por lo que es una excelente alternativa natural y de bajo costo para el tratamiento de lixiviados,¹¹ aguas residuales¹² y aguas con diferentes valores de turbidez inicial,⁹ por lo que su aplicación en el control de la contaminación del agua en áreas rurales puede ser muy valiosa.¹³

Según resultados de varias investigaciones, el ácido galacturónico es posiblemente un ingrediente activo que proporciona la capacidad de coagulación de Opuntia spp., debido a que este ácido predomina en especies vegetales en forma polimérica (ácido poligalacturónico) cuya estructura indica que es aniónico, y la existencia de grupos carboxílicos a lo largo de la cadena implica que puede darse la adsorción química entre partículas cargadas suspendidas en el agua y estos grupos funcionales^8,14 Por su parte, Vaca y colaboradores¹² indicaron que el mecanismo de floculación de Opuntia ficus indica es por puentes, debido al carácter hidrofílico del mucílago y que su eficiencia incrementa proporcionalmente la concentración del mucílago.

Por lo antes expuesto, el objetivo de esta investigación es evaluar el efecto del pH de aguas con alta turbidez (100, 150 y 200 Unidades Nefelométricas de Turbidez [UNT]) en la eficiencia del coagulante Opuntia ficus indica durante la clarificación.


Materiales y métodos

Preparación del agua sintética

El agua sintética se preparó agregando una mezcla de arcilla comercial (26 g de arcilla en 100 ml de agua destilada) al agua del grifo recolectada en el laboratorio, proveniente de la red de abastecimiento del municipio Cabimas, del estado Zulia, hasta obtener los valores deseados de turbidez inicial (100, 150 y 200 UNT), posteriormente se agitó a 100 rpm durante cinco minutos y se colocó a temperatura ambiente por 24 horas para garantizar la hidratación de sus partículas. El pH del agua sintética sin ajustar fue de 7.5 ± 0.2; mientras que las unidades de color se ubicaron en 14.4 ± 5.2 UC Pt-Co.


Ajuste del pH del agua sintética

Se ajustó el pH del agua sintética antes de cada tratamiento con el coagulante, para cada valor de turbidez inicial, agregando hidróxido de sodio 0.02 N para aumentarlo a condiciones básicas (9 unidades) y ácido acético (0.1 M) para bajar el pH a valores ácidos (5 unidades). También se evaluó el pH que presentó el agua sintética después de su preparación (7.5 unidades).


Preparación del coagulante Opuntia ficus indica desecado

La especie Opuntia ficus indica se recolectó en el sector de Delicias, municipio Cabimas, estado Zulia. Se seleccionaron cladodios jóvenes en buen estado y se trasladaron al laboratorio para su procesamiento. Se inició retirando las espinas y la epidermis de los cladodios, luego se cortó el tejido parenquimatoso en capas delgadas y se colocaron en cápsulas de Petri. Posteriormente, se llevaron a la estufa durante 24 horas a una temperatura menor de 60ºC. Pasado el tiempo, el tejido deshidratado se trituró en un mortero hasta obtener un polvo, el cual se tamizó y almacenó en el refrigerador en un recipiente hermético a una temperatura aproximada de 7ºC.

El coagulante de Opuntia ficus indica (desecado) se preparó agregando agua destilada al polvo hasta obtener una concentración del 10% m/v. Se dejó en reposo por dos horas para facilitar la hidratación, esto se realizó antes de cada ensayo. Las dosis del coagulante evaluadas fueron 50, 100, 150, 200 y 250 ppm.


Tratamiento del agua sintética

Se procedió a simular las etapas de coagulación, floculación y sedimentación en un equipo de jarras. Se agregó agua sintética en seis vasos de precipitado de un litro, utilizando uno de los vasos como control (patrón). Inmediatamente se adicionaron las dosis del coagulante O. ficus indica (desecado) y se inició el proceso de mezclado rápido programando el equipo a 100 rpm por un minuto, luego el mezclado lento se realizó a una velocidad de agitación de 30 rpm por 20 minutos. Finalmente, la sedimentación tuvo una duración de 30 minutos. Adicionalmente se realizó la filtración de las muestras.


Parámetros fisicoquímicos

Se determinaron los parámetros pH, turbidez y color mediante el procedimiento descrito en el APHA, AWWA, WEF,¹⁵ antes y después del tratamiento con coagulante. Se realizaron pruebas preliminares para la selección de la concentración y las dosis del coagulante a evaluar. Posteriormente se hicieron las pruebas finales por triplicado para cada tratamiento.

Los resultados de las remociones de turbidez para cada valor de turbidez inicial, pH y dosis de coagulante aplicadas se compararon mediante un análisis de varianza y medias a través de la prueba de Tukey, utilizando programas estadísticos (Statistical Package for the Social Sciences, SPSS).

Para la selección de la dosis óptima del coagulante se consideró la menor dosis que removió el mayor porcentaje de turbidez (antes de la filtración), mientras que la eficiencia del coagulante se determinó comparando los porcentajes de remoción de turbidez con la muestra sin tratamiento (control).


Resultados y discusión

La eficiencia del coagulante Opuntia ficus indica (desecado) en la remoción de turbidez durante el tratamiento de aguas con valores de turbidez inicial de 100, 150 y 200 UNT, y variando el pH del agua a 5, 7.5 y 9 unidades, se muestra en las Figura 1, 2 y 3, respectivamente. Para la turbidez inicial de 100 UNT y pH de 5 unidades (antes de la filtración) se observó que a medida que se incrementó la dosis del coagulante la remoción de turbidez disminuyó, variando entre 63.1% y 92.0% (Figura 1a). La turbidez residual osciló entre 8.0 y 36.9 UNT, y la dosis óptima fue 50 ppm.






En el caso de pH 7.5 para el mismo valor de turbidez inicial (100 UNT), se observa en la Figura 1b que la remoción de turbidez no presentó tendencia regular ya que aumentó y disminuyó con el incremento de las dosis del coagulante, variando en el rango de 79.9% a 87.2%. La dosis óptima fue 100 ppm, mientras que la turbidez residual estuvo entre 12.8 y 20.1 UNT. El comportamiento fue similar para el pH 9 (Figura 1c), sin tendencia regular, encontrando porcentajes de remoción de turbidez entre 73.6% y 85.3% y turbidez residual de 14.7 a 26.4 UNT. La dosis óptima fue de 50 ppm para estas condiciones (100 UNT y pH 9).

En la Figura 2a se presenta la tendencia de la remoción de turbidez para las condiciones de 150 UNT y pH 5, donde se observa una disminución con el incremento de las dosis del coagulante (antes de la filtración), con valores que oscilaron entre 89.31% y 96-39%. En este caso, la dosis óptima fue de 50 ppm y la turbidez residual alcanzó valores entre 5.41 y 16.03 UNT.






Para el pH del agua sintética de 7.5, la remoción de turbidez presentó la misma tendencia que la observada para el pH 5 (Figura 2b). Sin embargo, los porcentajes de remoción fueron mayores (93.03% a 96.82%) y se obtuvo una turbidez residual entre 4.8 y 1.5 UNT, cumpliendo con el máximo (5 UNT) establecido en la Gaceta Oficial,¹⁶ para la dosis óptima (50 ppm).

La remoción de turbidez disminuyó con el incremento de la dosis del coagulante desde 50 ppm hasta 200 ppm, presentando un ligero incremento para la dosis de 250 ppm cuando se evaluaron las condiciones de 150 UNT y pH 9 (Figura 2c), el rango estuvo entre 61.87% y 94.47%. La dosis óptima se mantuvo en 50 ppm mientras que la turbidez residual estuvo por encima de 5 UNT (8.29 a 57.20 UNT).

Durante el tratamiento de aguas con turbidez inicial de 200 UNT aplicando el coagulante Opuntia ficus indica (desecado) la remoción de turbidez no presentó tendencia regular cuando se evaluó el pH 5 (Figura 3a), ya que aumentó y disminuyó con el incremento de las dosis del coagulante (antes de la filtración). La remoción de turbidez varió entre 73.6% y 95.4%, mientras que la turbidez residual estuvo entre 9.2 y 52.8 UNT. La dosis óptima fue 50 ppm.






En el caso de pH 7.5 (Figura 3b) el incremento de las dosis del coagulante causó una disminución en la remoción de turbidez, con valores entre 89.25% y 96.18% y una dosis óptima de 50 ppm. La turbidez residual varió entre 7.63 y 21.50 UNT, valores menores a los encontrados para pH más ácido (5 unidades).

Cuando se incrementó el pH a 9 se obtuvo una alta remoción turbidez que superó el 94%, con una tendencia a disminuir con el incremento de la dosis del coagulante (Figura 3c). La dosis óptima se mantuvo en 50 ppm con una remoción de 97.41%. La turbidez residual varió entre 5.18 y 11.25 UNT.

La turbidez residual estuvo por encima del valor establecido en la normativa ambiental¹⁶ para los tres valores de pH evaluados y condiciones de turbidez inicial (100, 150 y 200 UNT), con excepción de la turbidez inicial de 150 UNT, pH 7.5 y dosis 50 ppm (4.1 UNT). Sin embargo, después de la filtración los valores de remoción de turbidez aumentaron entre 96.4% y 99.6% (Figuras 1, 2 y 3), disminuyendo así la turbidez residual, que se ubicó en el rango de 1 a 4 UNT, cumpliendo con la normativa. Debido a que la filtración es una de las etapas más vulnerables del proceso de potabilización, ya que una coagulación inadecuada, puede comprometer el desempeño de las unidades de clarificación y éstas a su vez alterar la eficiencia de la filtración, se ha recomendado mantener la aplicación de medidas operativas para optimizar la coagulación durante los eventos de alta turbiedad.¹⁷

González y colaboradores¹⁰ presentaron resultados similares cuando comprobaron la efectividad de una suspensión de Opuntia ficus indica (L.) Mill. en la clarificación de aguas sintéticas con alta turbidez (100 a 200 UNT) a pH inicial que osciló de 7.01 a 7.28, y dosis óptimas de 350 a 450 ppm, mayores a las encontradas en esta investigación. Los resultados revelaron porcentajes de remoción de turbidez entre 91.39% y 96.02% antes de filtrar y entre 97.64% y 99.20% después de filtrar. Por su parte, Fuentes y colegas⁹ trabajaron con el coagulante O. ficus indica desecado en un rango de turbidez de 100 a 200 UNT y consiguieron remociones dentro del rango encontrado en esta investigación (84.77% y 91.90%, respectivamente), a valores de pH inicial de 6.90 a 7.68.

En otro orden, la comparación de medias entre los valores de pH obtenidos a las diferentes dosis del coagulante Opuntia ficus indica desecado, para cada pH inicial del agua y turbiedades iniciales, se muestra en la Tabla 1. Se observaron diferencias estadísticamente significativas (p < 0.05) entre los valores de pH después del tratamiento a cada valor de pH inicial, obteniéndose una correlación positiva altamente significativa (0.960 a 0.990) entre el pH inicial y el pH después del tratamiento con el coagulante para cada dosis, demostrando que la variación de la dosis del coagulante no causó diferencias significativas en el pH inicial de las aguas durante cada tratamiento.






Los rangos de pH después del tratamiento fueron: 5.32 a 5.40; 7.26 a 7.41 y 8.47 a 8.72 a valores de pH 5, 7.5 y 9, respectivamente. Los resultados muestran que el coagulante Opuntia ficus indica desecado es efectivo a los diferentes valores de pH evaluados en este estudio, recomendándose el pH que presentan estas aguas turbias (7.5, sin ajuste de pH), ya que el pH final después del tratamiento con el coagulante se encuentra en el rango establecido en la normativa (6.5 a 9). También se podría mencionar que la cantidad de coagulante requerido para el tratamiento no afectó significativamente el pH inicial de las aguas, aun cuando según Moreno y colaboradores³ el pH característico del material es ácido (4.7). Resultados similares presentaron Fuentes y su equipo,⁹ quienes revelaron que la máxima actividad de coagulación O. ficus indica desecado para los diferentes valores de turbidez inicial (100 a 200 UNT), tuvo lugar cuando el agua tenía entre 6.83 y 7.52 unidades de pH.

Otros investigadores también presentaron resultados sobre el efecto del pH en la eficiencia de Opuntia. Vaca y colegas¹² observaron que el polvo de Opuntia incrementó en todos los casos el pH de las aguas residuales tratadas, en un máximo de cuatro décimas, obteniéndose siempre un agua tratada muy cercana a la neutralidad (7.04 a 7.51), destacando una ventaja del coagulante sobre otros que alteran el pH del agua tratada. Castellanos y colaboadores¹¹ no observaron diferencias significativas en cuanto a las concentraciones de mucílago de Opuntia ficus indica dentro de cada tratamiento a diferente pH, indicando que el pH ejerce mayor efecto sobre la coagulación que la cantidad de material coagulante, lo cual puede deberse a que para el coagulante probado la zona óptima de pH es el neutro, aun para concentraciones variables.

Por su parte, Villabona y colegas¹⁸ informaron 70% de eficiencia, durante el tratamiento de aguas turbias (170.96 UNT) con el coagulante de Opuntia ficus indica (desecado) a dosis de 50, 75 y 90 mg/l y pH inicial de 7.8. Refieren que el pH del agua para las diferentes dosis se mantuvo alcalino, con valores entre 7.5 y 7.9, lo cual indica que el coagulante adicionado no alteró significativamente su pH.

En la Tabla 2 se presenta la comparación de medias de la remoción de turbidez después del tratamiento con el coagulante Opuntia ficus indica desecado para cada valor de turbidez inicial y diferentes valores de pH. El análisis estadístico reveló que no hubo diferencias significativas (p > 0.05) entre las remociones de turbidez obtenidas a 150 y 200 UNT, para cada dosis evaluada, mostrando valores diferentes para 100 UNT. Sólo la dosis de 250 ppm mostró similar comportamiento (p > 0.05) para los tres valores de turbidez inicial.






Además, en la Tabla 2 se observa que la remoción de turbidez de las muestras que recibieron tratamiento se incrementa a medida que se aumenta la turbidez inicial, obteniendo los valores más altos a la turbidez inicial de 200 UNT. Se comprobó que existe una correlación positiva a nivel de significancia de 0.01 entre estas variables (0.518 a 0.775).

Los resultados indican que el coagulante Opuntia ficus indica desecado es eficiente para remover más del 85% de turbidez de las aguas en diferentes condiciones de pH (5, 7.5 y 9) y valores altos de turbidez inicial (100, 150 y 200 UNT), con dosis óptimas de 50 y 100 ppm; por lo que representa una alternativa a los coagulantes tradicionales y una opción ambientalmente amigable para aguas turbias que requieran clarificación. Por otra parte, se verificó que el coagulante no altera significativamente el pH de las aguas con alta turbidez.

Miller y colaboradores⁸ estudiaron la eficacia y mecanismo de Opuntia spp. como un coagulante natural para su posible aplicación en el tratamiento de agua. Los resultados arrojaron que Opuntia spp. es capaz de reducir significativamente la turbidez, con remociones que oscilaron entre 92% y 99% y turbidez residual de 5 a 7 UNT, y no depende de la turbidez inicial. Además, encontraron que la actividad de la coagulación de Opuntia spp. es mayor en las aguas básicas (pH de 8 a 10).

Como coagulante primario alternativo, de bajo costo, gran efectividad y sin efectos tóxicos para el medio ambiente, la aplicabilidad de Opuntia ficus indica desecada, acompañada de otros procesos como la desinfección con sustancias alternativas, representaría una opción de tratamiento sustentable de las aguas.¹²

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