Año 2019. Número 21 (Enero-Junio)
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Sistema de tratamiento de aguas superficiales para consumo
humano en la microcuenca del Río Carrizal, Ecuador
Surface water treatment system for human consumption in the micro-basin of
the Carrizal River, Ecuador
Autores: Ángela Lorena Carreño Mendoza
1
Leonel Rolando Lucas Vidal
2
Ernesto Antonio Hurtado
3
Renny Barrios-Maestre
4
Ramón Silva-Acuña
5
Dirección para correspondencia: ernestohurta@gmail.com
Recibido: 2019-03-07
Aceptado: 2019-05-24
Resumen
Con el objetivo de implementar un sistema de tratamiento del agua del tipo
filtración de múltiples etapas para el consumo humano en las comunidades
Balsa en Medio, Julián y Severino, Ecuador, a nivel de laboratorio se desarrolló
un sistema a escala, estructurado por filtrado en arenas+gravas, seguido de
filtración con las zeolitas clinoptilolita y mordenita y finalmente se realizó el
proceso de cloración. Se empleó el diseño experimental completamente
aleatorizado con cuatro repeticiones para los tratamientos. Los resultados
indican que en la etapa de filtración en arenas+gravas las variables DBO
5;
sólidos totales; coliformes fecales y turbiedad, alcanzaron niveles permitidos de
acuerdo a las normas establecidas para el agua de consumo humano. El uso de
zeolitas del tipo clinoptilolita y/o mordenita como procedimiento para
complementar el proceso de filtración, redujo significativamente los tenores de
1
Carrera de Ingeniería Ambiental, Escuela Superior Politécnica Agropecuaria de Manabí, Calceta, Manabí, Ecuador.
2
Carrera de Ingeniería Ambiental, Escuela Superior Politécnica Agropecuaria de Manabí, Calceta, Manabí, Ecuador.
3
Carrera de Medicina Veterinaria, Campus Politécnico El Limón, km 2,7 Vía Calceta-El Limón, sector El Gramal.
Ecuador.
4
Instituto Nacional de Investigaciones Agropecuarias, San Agustín de la Pica, Vía Laguna Grande, Maturín,
Venezuela.
5
Profesor del Postgrado de Agricultura Tropical, Universidad de Oriente Campus Juanico, Maturín, Monagas,
Venezuela.
Á.L. Carreño Mendoza, L.R. Lucas Vidal, E.A. Hurtado, R. Barrios-Maestre, R. Silva-Acuña
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La Técnica. Publicación semestral. Vicerrectoría Académica. Universidad Técnica de Manabí, ECUADOR
cobre, plomo, hierro, aluminio, cobalto y cromo. El uso del tratamiento con
cloro después del filtrado redujo en 87% la presencia de coliformes fecales
reduciendo los valores dentro de los rangos permitidos. El sistema de
tratamiento de aguas propuesto para las comunidades estudiadas es de fácil
operación y mantenimiento, sus costos son aceptables y los insumos requeridos
para su implantación están disponibles en el Ecuador.
Palabras clave: calidad de agua; filtros de arenas y gravas; zeolita, cloración.
Abstract
With the objective of implementing a multi-stage filtration system for water
treatment to human consumption in the communities of Balsa en Medio, Julián
and Severino, Ecuador, at the laboratory level a scale system was developed,
initially structured by filtering in sands + gravels, followed by filtration whit
clinoptilolite and mordenite zeolites. Finally the water chlorination process was
carried out. The essay was developed with a completely randomized
experimental design with four repetitions. According to the results, it was
evidenced that in the filtration stage in sands + gravels the variables: BOD
5
;
total solids; fecal coliforms and turbidity, reached permitted levels according to
the norms established for water for human consumption. The use of
clinoptilolite and/or mordenite zeolites as a method to complement the
filtration process significantly reduced the copper, lead, iron, aluminum, cobalt
and chromium levels. The use of the chlorine treatment after filtering reduced
the presence of fecal coliforms in water in 87% leading the values within the
permitted ranges. The proposed system for the treatment of the dammed water
in the studied communities is easy to operate and maintain, its costs are
acceptable and the inputs required for its implementation are available in
Ecuador.
Keywords: water quality; sand and gravel filters; zeolite; chlorination.
Introducción
Las fuentes de abasto de agua para el consumo humano pueden ser
superficiales (ríos, arroyos, lagos, humedales, estuarios, etc.); pluviales (aguas
de lluvia) y; subterráneas (manantiales, pozos, nacientes). Para elegir alguna de
ellas, existen restricciones relacionadas con la calidad del líquido, normas en
las diferentes localidades, disponibilidad de la misma y necesidades de la
población a abastecer (Barrios et al., 2009).
Los consumidores evalúan la calidad del agua de consumo basándose
principalmente en sus sentidos. Los componentes microbianos, químicos y
físicos del agua pueden afectar a su aspecto, olor o sabor y el consumidor
evaluará su calidad y aceptabilidad basándose en estos criterios; aunque, es
posible que estas sustancias no produzcan ningún efecto directo sobre la salud,
los consumidores pueden considerar que el agua muy turbia, con mucho color,
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o que tiene un sabor u olor desagradable es insalubre y pueden rechazarla
(OMS, 2006).
La ONU (2014) señala que la décima parte de enfermedades bacterianas y
virales ocasionadas por agentes infecciosos transportados al ser humano
provienen del consumo de agua no apta y que podrían prevenirse al realizar
procesos adecuados de tratamiento, abastecimiento, saneamiento, higiene y
gestión de los recursos hídricos.
Las enfermedades relacionadas con la contaminación del agua de consumo
tienen gran repercusión en la salud de las personas. Las medidas destinadas a
mejorar la calidad del agua de consumo proporcionan beneficios significativos
para la salud. La garantía de la inocuidad microbiana del abastecimiento de
agua de consumo se basa en la aplicación, desde la cuenca de captación al
consumidor, de barreras múltiples para evitar la contaminación del agua de
consumo o reducirla a niveles inocuos para la salud (OMS, 2006).
La OMS (2006) señala que los riesgos asociados a los componentes químicos
del agua se deben a la capacidad de producir efectos adversos sobre la salud
tras periodos de exposición prolongados. En tanto que, la presencia de metales
pesados causa una variedad de impactos ambientales y de salud debido a la
estabilidad, alta solubilidad y actividad de migración en medios acuosos,
potenciado por la bioacumulación en las cadenas tróficas (Akpor et al., 2014).
Estudios de Lucas et al., (2018) en la microcuenca del Río Carrizal, cantón
Bolívar de la provincia de Manabí en Ecuador arrojó índices de calidad de agua
que clasifican las aguas de Balsa en Medio y Julián como “aguas poco
contaminadas”, y a las aguas de la comunidad de Severino se clasifican como
“aguas contaminadas”, con tendencias a presentar mayores riesgos sanitarios
en la localidad de Balsa en Medio, seguido por la localidad de Severino;
mientras que el menor riesgo correspondió a la localidad de Julián.
La tecnología FIME (Filtración en Múltiples Etapas) ofrece una opción para
casos donde los usuarios no pueden conectarse a una planta de tratamiento,
siendo de funcionamiento simple, mantenimiento sencillo, costos de operación
y mantenimiento relativamente y con resultados de calidad de agua
relativamente altos (Prada et al., 2009) las mismas pueden estar conformadas
por dos o tres procesos de filtración, dependiendo del grado de contaminación
de las fuentes de agua (OPS, 2005). Sánchez et al., (2009) evaluaron un proceso
de filtración en múltiples etapas, emplearon un filtro lento de arena y filtros de
anillos, siendo la arena la más eficiente; además, presentó mayor estabilidad y
mejor desempeño.
De manera similar, Pereira et al., (2013) indicaron que la filtración de múltiples
etapas (FIME) es una alternativa que permite expandir el espectro de aplicación
de la filtración lenta en relación con la calidad y la duración del efluente y
agregan que el uso de la manta y el carbón activado granular (CAG) propiciaron
mayor remoción de la turbiedad y contribuyeron a la reducción eficiente del
color aparente y verdadero.
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Las zeolitas también han sido utilizadas como material filtrante, ya que son
minerales con características porosas (Morag, 2002) que poseen alta capacidad
de intercambio catiónico así como propiedades de tamiz molecular (Wang y
Peng 2010), tienen diversas aplicaciones y han sido reportadas para remoción
de metales pesados (Morag, 2002; Mishue et al., 2012; Francisca y Carro, 2014;
Cuchimaque et al., 2013); salinidad (Vera et al., 2015), y dureza (Gutiérrez et
al., 2006) cuando utilizada regularmente como material filtrante.
Por otro lado, Olivas et al., (2013) la cloración del agua no elimina parásitos y
para su aplicación se deben realizar estudio sobre su viabilidad y efectividad
como causantes de enfermedades gastrointestinales, cumpliendo los límites
permisibles vigentes (Acuerdo Ministerial N° 061. 2015; Acuerdo Ministerial
Edición Especial N° 316., 2015; OMS, 2008; NTE INEN 1108, 2014), se debe
conocer la cantidad cloro necesaria para desinfectar el agua, a la vez que
garantice un residual libre disponible para evitar posible contaminación en las
redes de distribución, sin exceder los límites permitidos por la ley (Mayorga y
Mayorga, 2016). Asimismo, la cloración es el método más utilizado, es de fácil
aplicación, manejo sencillo y bajo costo, con dosis correctas no produce riesgos
para el hombre y su efecto residual protege al agua en las redes de distribución
(Chulluncuy, 2011) y debe ser empleado, después de la filtración para eliminar
cualquier patógeno que pueda poner en peligro la salud de los consumidores
(Mayorga y Mayorga, 2016).
En razón de lo antes señalado la presente investigación tiene por objetivo
proponer un proceso de filtración del agua para consumo humano en múltiples
etapas (FIME) con el empleo de arenas, gravas y zeolitas del tipo clinoptilolita y
mordenita como material filtrante y la cloración como método de desinfección;
así como también, ponderar sobre la factibilidad económica de adopción en las
comunidades Balsa en Medio, Julián y Severino de la microcuenca del río
Carrizal en el Ecuador.
Metodología
Ubicación del estudio
El estudio se desarrolló en las comunidades Balsa en Medio, Julián y Severino,
ubicadas en la parroquia Quiroga; cantón Bolívar, provincia de Manabí,
Ecuador. Estas localidades se encuentran en la microcuenca alta del río
Carrizal, comprendida entre las coordenadas 14'15.04"S, 7952'11.79''W, la
cual cubre un área de aproximadamente 1390 Km
2
. Se encuentra asentada en
la provincia de Manabí y limita al norte con las cuencas del Río Briceño y Río
Jama al sur con las cuencas del Río Portoviejo y Río Guayas, al este con el
Océano Pacífico, la cuenca del Estero Pajonal y al oeste con la cuenca del Río
Guayas (Muñoz et. al., 2009).
Diagnóstico de calidad de agua
Se tomaron cuatro muestras de 10 dm
3
del agua almacenada en cada una de
las comunidades de Balsa en Medio, Julián y Severino siguiendo las
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indicaciones descritas en la metodología APHA, AWWA, WPCF (2012). Para
conocer la condición inicial del agua de cada una de las comunidades se
determinaron las variables DBO
5
, sólidos totales, coliformes fecales y turbiedad.
Similarmente, se determinaron los tenores de los metales cobre, plomo, hierro,
aluminio, hierro y cobalto. Todas las evaluaciones fueron realizadas en el
Laboratorio de Evaluaciones Ambientales de la Escuela Superior Politécnica
Agropecuaria de Manabí, ubicada en Manabí, Bolívar, Calceta, Provincia de
Manabí, República del Ecuador.
Proceso de filtración en múltiples etapas
A nivel de laboratorio, se construyó un filtro conformado por la siguiente
secuencia desde el nivel superior al inferior: grava gruesa, grava fina, arena
gruesa, arena fina, arena gruesa y arena fina en la proporción 8,5: 2,6: 1: 25: 1:
3, respectivamente. A través de este se filtraron 10 dm
3
del agua almacenada
proveniente de las comunidades de Balsa en Medio, Julián y Severino. A
continuación se tomó una muestra para determinar las variables DBO
5
, sólidos
totales, coliformes fecales y turbiedad.
Por otro lado, se elaboraron columnas intercambiadoras de cationes para
complementar el tratamiento del filtrado del agua. La empaquetadura utilizada
fue de dos tipos de zeolitas, una con clinoptilolita y la otra con mordenita, que
funcionaron como últimas capas a continuación de la filtración tradicional con
arena+grava. Cabe destacar que la mordenita es un tipo de zeolita diferente de
la clinoptilolita (más usada); son minerales de la clase de los tectosilicatos,
aluminosilicatos hidratados de sodio, calcio, magnesio, potasio y otros alcalinos
y alcalinos térreos que se encuentran en forma natural en la tierra; sus
estructuras cristalinas, eléctricamente cargadas pueden ser utilizadas para
retener cationes o aniones en el tratamiento de agua. Para este caso, la
muestra de 10 dm
3
objeto del análisis, fue constituida de forma compuesta
para las tres comunidades en estudio y fue sometida inicialmente al proceso de
filtración en arenas+gravas y luego pasadas por los filtros de zeolitas, de
manera independiente. El agua producto de los dos procesos de filtrado fue
analizada para determinación de los tenores de cobre, plomo, hierro, aluminio,
cromo y cobalto (APHA, AWWA, WPCF 2012).
Considerando que los tratamientos anteriores tendrían poco efecto sobre la
presencia de contaminantes microbiológicos, al agua previamente filtrada se le
realizó el tratamiento con cloro, de acuerdo a la metodología indicada por
Metcalf y Eddy (1996) que indican el uso de 5 mg de cloro activo por dm
3
de
agua, para la destrucción de microorganismos en un tiempo de retención
hidráulico (TRH) de 30 minutos.
Finalmente, a partir de los resultados obtenidos, se procedió a realizar una
propuesta de un sistema de filtración para satisfacer los requerimientos de
agua de cada una de las comunidades con condiciones sanitarias adecuadas a
las normas de calidad vigente en Ecuador.
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Diseño estadístico
Se utilizó el diseño experimental completamente aleatorizado, con cuatro
repeticiones. Previo al análisis de varianza (ANAVA), los valores de las
características determinadas en las muestras de agua fueron examinados por
las pruebas de normalidad de Wilk-Shapiro y la de homogeneidad de varianza
de Bartlett por el ASSISTAT (Silva y Azevedo, 2016), y los análisis de varianza
se realizaron con el software InfoStat (Di Rienzo et al., 2016). Las
comparaciones de promedios se realizaron a través de la prueba de Tukey al 5%
de probabilidad.
Resultados y Discusión
Filtración en arena + grava
En la Tabla 1, están descritos los resultados de la cuantificación de las
variables DBO
5
, solidos totales (S. totales), coliformes fecales (C. fecales) y
turbiedad en la muestra de agua de cada una de las tres comunidades objeto
de la investigación. Por la prueba de Tukey a 5% de probabilidad se detectó
diferencias significativas entre las aguas provenientes del afluente y el efluente,
o en otras palabras, entre el agua almacenada del rio que entra al sistema de
filtrado en arenas + gravas y las que salen. Tal hallazgo demuestra la particular
bondad del sistema de filtrado en disminuir significativamente las
concentraciones de las variables estudiadas. Ese resultado está consolidado
para todas las variables analizadas en las tres comunidades donde la repuesta
es ratificada entre la calidad del agua que entra al sistema y la que sale
después del filtrado.
Tabla 1. Eficiencia de remoción por filtración de las variables indicadoras de la contaminación del agua almacenada
en Balsa en Medio, Julián y Severino en el Ecuador.
Comunidad
Tipo de
muestra
Variables cuantificadas
DBO
5
Coliformes fecales
Turbiedad
(mg/dm
3
)
(NMP/100 cm
3
)
(NTU)
Balsa en
Medio
Afluente
3,67 b
75,00 b
8,33 b
Efluente
0,55 a
6,58 a
0,96 a
GR (%)
85,01
91,23
88,48
Julián
Afluente
2,67 b
78,33 b
8,0 b
Efluente
0,4 a
7,05 a
0,8 a
GR (%)
85,02
91,00
90,00
Severino
Afluente
3,00 b
79,67 b
7,33 b
Efluente
0,52 a
6,59 a
1,06 a
GR (%)
82,67
91,73
85,54
Promedio de remoción (%)
84,23
91,32
88,00
GR: Grado de remoción. Fuente: Elaboración propia
De acuerdo a los resultados obtenidos para el análisis del agua en el afluente
(Tabla 1) se puede ratificar lo señalado por Lucas y Carreño (2018) en relación a
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la mala calidad del agua para consumo humano en las comunidades de Balsa
en Medio, Julián y Severino en la cuenca del Rio Carrizal; sin embargo, al ser
sometidas al proceso filtración en arenas+gravas las variables indicadoras
DBO
5
, solidos totales, coliformes fecales y turbiedad presentan un cambio
notorio, de acuerdo a los valores observados para el efluente-salida del sistema
de filtrado. Este resultado consolida la operacionalidad del sistema de filtración,
al permitir mejoras significativas de calidad para las variables cuantificada en
las muestras de agua.
Cuando se observa el grado de remoción (GR%) expresado en porcentaje (Tabla
1) se puede constatar que en relación a la DBO
5
los niveles de reducción
promedio alcanzaron 84,23%; de manera similar para las variables solidos
totales, coliformes fecales y turbiedad las disminuciones fueron del orden de
96,92; 91,32 y 88 %, respectivamente. Estos valores porcentuales de eficiencia
propiciaron al agua de las tres localidades niveles por debajo de los establecidos
para agua potable, según la normativa correspondiente (INEN, 2014). Los
hallazgos obtenidos ratifican la potencialidad de la técnica de filtrado en
arenas+gravas al mejorar las características físicas y químicas del agua
almacenada en las comunidades de Balsa en Medio, Julián y Severino del
Ecuador.
Filtración en zeolitas
Tanto para la zeolita del tipo clinoptilolita como la mordenita en relación a la
presencia de metales pesados (Tabla 2) se constató reducción significativa de
los tenores de Cu
2
+, Cr
6
+, Al
3
+, Fe
3
+ y Pb
2
+, los cuales no habían sido
removidos por la filtración en las capas de arenas y gravas anteriores a la
adsorción con las zeolitas, particularmente con la mordenita, que es poco
usada en procesos de filtración múltiple. De manera general, se constató la
efectividad de la filtración del agua con la zeolita del tipo mordenita, la cual
supera en eficiencia a los logrados con la clinoptilolita, procedentes del filtrado
en arenas+gravas. La excepción la constituyó los tenores de plomo, los cuales
superan a los límites permitidos en el índice TULSMA (2015)
El análisis de varianza de los tenores de cobre, plomo, hierro, aluminio, cobalto
y cromo y la comparación de los valores promedios por la prueba de Tukey a
5% (Tabla 2) mostró que para el cobre los menores tenores están asociados al
agua que fue filtrada a través de la mordenita difieren estadísticamente de los
tenores en el agua filtrada en clinoptilolita y de manera similar a los obtenidos
para el agua procedente del filtrado en arenas+gravas, similar comportamiento
estadístico presentaron los tenores de cromo. Para el caso del plomo, los
tenores de este elemento presentaron similitud estadística entre las muestras
de agua procedente del filtrado con clinoptilolita y mordenita y ambos
promedios difieren de los tenores de plomo presentes en las muestras obtenidas
del proceso de filtración en arenas+gravas. Es pertinente señalar que este fue el
único elemento, dentro de los estudiados, que estuvo por encima de los niveles
permitidos por el índice TULSMA (2015).
Á.L. Carreño Mendoza, L.R. Lucas Vidal, E.A. Hurtado, R. Barrios-Maestre, R. Silva-Acuña
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La Técnica. Publicación semestral. Vicerrectoría Académica. Universidad Técnica de Manabí, ECUADOR
Para los tenores de hierro y aluminio se constató similitud en su
comportamiento estadístico; se observó, que las muestras de agua procedentes
del filtrado con la zeolita del tipo mordenita presentaron los menores tenores de
ambos metales y sus valores difieren de los obtenidos para las muestras de
agua procedentes del filtrado con clinoptilolita y la obtenida del proceso de
filtración en arenas+gravas, que son similares entre sí. Para el caso específico
del cobalto no se detectaron diferencias estadísticas entre las tres muestras
evaluadas, aunque los tenores del elemento procedentes de las muestras
obtenidas del filtrado en los dos tipos de zeolitas de manera independiente
están por debajo de los permitidos por el índice TULMA (2015) y las variaciones
en los tenores de eficiencia de remoción del elemento con ambas zeolitas es del
orden de 9,52 % (Tabla 2).
Tabla 2. Concentraciones de los principales metales pesados en muestras conjuntas del agua almacenada procedente
de las localidades de Severino, Julián y Balsa en Medio en el Ecuador.
Tratamiento
Tenores de metales pesados(mg/dm
3
)
Cobre
Plomo
Hierro
Aluminio
Cobalto
Cromo
Filtración grava y arena
1,80 c
1,07 b
0,37 b
0,14 b
0,21 a
0,38 c
Filtración con Clinoptilolita
1,20 b
0,07 a
0,34 b
0,13 b
0,19 a
0,09 b
Filtración con Mordenita
0,80 a
0,07 a
0,27 a
0,09 a
0,19 a
0,03 a
Límites permisibles TULSMA
1,00
0,05
0,30
0,10
0,20
0,05
% Eficiencia Clinoptilolita
33,33
93,46
8,11
7,14
9,52
76,32
% Eficiencia Mordenita
55,56
93,46
27,03
35,71
9,52
92,11
Fuente: Elaboración propia
De acuerdo al Texto Unificado de Legislación Secundaria del Ecuador (TULSMA,
2015) o limite TULSMA establecido para los metales pesados en las muestras
de agua destinadas a consumo humano, se constató para el caso del agua
almacenada (efluente) de la muestra compuesta obtenida de las comunidades
de Balsa en Medio, Julián y Severino, que el Cu
+2
sobrepasó el límite permisible
en 80% y la adsorción por la clinoptilolita fue de 33%, mientras que la
mordenita redujo el 56%. En el caso del Pb
+2
, el límite permisible fue excedido
en más de 2000%, la remoción fue similar en ambas zeolitas y fue del orden del
93%. Para Fe
+3
sobrepasó el límite en 19%, siendo que, de acuerdo a proceso de
filtrado en las zeolitas la adsorción por la clinoptilolita mostró eficiencia de
remoción de 8%; mientras que con la mordenita fue de 27%; de manera similar,
para el Al
+3
que sobrepasó el límite en 29%, la adsorción con clinoptilolita fue
de 7%, mientras que, con la mordenita fue de 36%. Para el caso del Co
+3
que
sobrepasó el límite en 5%, la eficiencia de adsorción fue similar para ambas
zeolitas con 9,5%. En el caso del Cr
+6
que sobrepasó el límite TULSMA (2015)
en 87% se constató eficiencia de adsorción de la clinoptilolita de 76% en
relación a la mordenita que fue del 92%.
De acuerdo a los hallazgos obtenidos en este trabajo en relación a la eficiencia
de remoción de metales pesados por la mordenita, se ratifican los resultados
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obtenidos por Autie-Pérez et al., (2011); además de ello, agrega que hubo mayor
eficiencia de remoción de los metales pesados por esta zeolita radican en su
mecanismo de intercambio iónico el cual se ajusta más a la teoría del llenado
volumétrico de microporos de Dubinin, relacionado con el criterio de la
superficie específica, que presentan otras zeolitas diferentes de la clinoptilolita.
Otros resultados de investigación donde se empleó la técnica del filtrado FIME
como los de Prada et al., (2009); Sánchez et al (2009); Valencia et al (2009);
Pereira et al., (2013); Veliz et al., (2016); asi como tambien donde se emplearon
zeolitas como medio filtarnte para remocion de metales pesados (Morag, 2002;
Mishue et al., 2012; Francisca y Carro, 2014; Cuchimaque et al, 2013) se
ratifican en esta investigación donde los medios filtrantes a base de
clinoptilolita y mordenita, esta última en particular, ofrece importantes
disminuciones en los tenores de metales pesados en las aguas de consumo
humano por las comunidades de Balsa en Medio, Julián y Severino, en la
cuenca del rio Carrizal en El Ecuador.
Por otro lado, Córdova et al., (2014) señalaron que aunque para la clinoptilolita
se disponga de mayor información sobre intercambio catiónico y que sea más
abundante en la naturaleza; sugieren que en los sistemas de filtración se
emplee la mordenita, la cual podría favorecer el proceso de filtrado del agua por
poseer espectro bidimensional de canales, en los cuales se retienen las
moléculas grandes; con los resultados de esta investigación donde se constató
la eficiencia de la mordenita en la remoción de tenores de Fe
+3
Al
+3
Co
+3
y Cr
+4
se
consolida el supuesto de Córdova et al., (2014) con resultados tangibles.
Proceso de cloración
El tratamiento de cloración se realizó por triplicado, una prueba de cloración
conjunta con las aguas filtradas e intercambiadas iónicamente de las tres
comunidades (Tabla 3) demuestran que la eficiencia de remoción fue en
promedio de 87%.
El análisis de varianza de los datos de cloración y la comparación de los valores
promedios por la prueba de Tukey a 5% de probabilidad, permiten señalar
similitud estadística de los valores de coliformes fecales en la muestra
compuesta de las tres localidades en el afluente o agua de entrada al sistema
de cloración y de manera similar se detecta similitud estadística en los valores
de coliformes en el efluente (Tabla 3). Tal comportamiento explica la
consistencia de los resultados para las muestras tanto en su punto de origen
como posterior al proceso de cloración. El porcentaje de eficiencia en remoción
de los coliformes fecales es del orden de 87%; además, las concentraciones
promedio de 0,90 NMP/100 cm
3
para las tres muestras, con cuatro repeticiones
permiten inferir que los valores de las concentraciones están dentro de los
rangos de aceptabilidad para el agua de consumo humano (Acuerdo Ministerial
N° 061. 2015; Acuerdo Ministerial Edición Especial N° 316., 2015; OMS, 2008;
NTE INEN 1108, 2014).
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Tabla 3. Pruebas de cloración realizadas en muestras de agua conjuntas de las comunidades de Balsa en Medio,
Julián y Severino filtradas de acuerdo al modelo propuesto.
Pruebas de
cloración
Unidades
Concentraciones de coliformes fecales
Eficiencia
remoción (%)
Afluente
Efluente
1
NMP/100
cm
3
6,58 b
0,83 a
87
2
7,05 b
0,95 a
87
3
6,59 b
0,93 a
86
Media
6,74
0,90
87
Fuente: Elaboración propia
Es conveniente señalar que a pesar de haber sido empleada la dosis
recomendada de cloro con el respectivo tiempo de retención hidráulica (TRH) no
se logró eliminar toda la población microbiana existente de los coliformes
fecales. Estos resultados están en concordancia con los obtenidos por Olivas et
al., (2013); ademas, es pertinente señalar que la dosis empleada (Mayorga y
Mayorga, 2016) garantiza un residual libre disponible de cloro que evita la
posible contaminación en las redes de distribución, sin exceder los límites
permitidos por la ley, ambos argumentos redundan en beneficio para el proceso
de tratamiento de las aguas para consumo humano de las comunidades de
Balsa en Medio, Julián y Severino del Ecuador.
Propuesta de sistema de filtración
Estimación de la demanda de agua por las comunidades
Para efectos de cálculo de abastecimiento de acuerdo a la OMS (2003) se
requiere en promedio 150 dm
3
/hab/d; particularmente, para una población de
311 habitantes, como es el caso de la comunidad de Julián (Tabla 4) la cual
poseería la mayor población proyectada hasta el año 2029 de acuerdo a su tasa
de crecimiento, sería necesario tratar un caudal de 46.650 dm
3
/día,
aproximadamente. En función de lo señalado para el diseño del sistema de
tratamiento del agua en las tres comunidades, se utilizará como referencia la
población de la comunidad de Julián que posee la mayor tasa de crecimiento y
los cálculos se extrapolaron para las comunidades de Severino y Balsa en
Medio, en razón de la vida útil del sistema propuesto, así como también de
mayor disponibilidad de agua potable para sus habitantes.
Tabla 4. Crecimiento de población para el tiempo previsto de funcionamiento (2029) del sistema de tratamiento en
múltiples etapas.
Indicadores poblacionales
Julián
Severino
Balsa en medio
2013
215
105
183
2017
250
190
177
Tasa de crecimiento
0,0384
0,0171
-0,0004
Promedio de tasa de crecimiento
0,0184
Proyección 2029
311
236
220
Fuente: Elaboración propia
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De acuerdo a la demanda de agua determinada para las comunidades se
requieren dos tanques tipo tolva de 7.000 l, cada uno con área de filtración de
4,524 m
2
y velocidad de filtración de 0,215 m/h en todo el proceso; mientras
que, el filtrado con zeolita requerirá un tanque tipo tolva de 14.000 L.
Descripción del sistema de tratamiento y capacidad de la infraestructura
El sistema de purificación del agua para consumo humano, propuesto en
múltiples etapas (FiME) gravitatorio consiste inicialmente en un filtrado a
través de grava, arena, gruesa y arena fina; seguidamente de otra etapa de
filtración en zeolita y finalmente un sistema de desinfección por cloración
(Figura 1).
Figura 11. Esquema del sistema gravitativo propuesto para el tratamiento de aguas para consumo humano en las
comunidades de Balsa en Medio, Julián y Severino.
El sistema de filtrado en grava + arena
El primer filtro estará constituido por dos tanques tipo tolvas (45°) de 7.000
litros de capacidad cada uno, con dimensiones de 2,55 m de altura y de 2,40 m
de diámetro, poseerá en su interior capas de grava gruesa y fina, arena gruesa
y fina, de acuerdo con lo descrito en la Figura 2.
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Figura 2. Dimensiones del filtro con arena y grava
El sistema de filtrado en zeolita
En la secuencia del proceso de depuración del agua por el sistema FIME, se
instalará el filtro constituido por capas de zeolitas descrito en la Figura 3. Se
requiere de un tanque tipo tolva (60°) de 14.000 L de capacidad, con
dimensiones de 4,08 m de altura y de 3,05 m diámetro.
Para abordar este aspecto, el proceso de filtración, se realizará por dos capas de
zeolitas, una primera capa constituida de zeolita del tipo clinoptilolita (320 cm)
y la otra con mordenita (100 cm) (Figura 3). La zeolita ecuatoriana (Mordenita)
tiene una velocidad de filtración de aproximadamente 0,266 m/h y la cubana
(Clinoptilolita) de 0,264 m/h.
Figura 3. Dimensiones del filtro de zeolita
Desinfección con cloro activo
La tercera etapa del proceso de tratamiento de potabilización del agua consiste
en la desinfección con cloro, mediante un reactor agitado, de acero inoxidable.
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Para la potabilización de los  

(

) se implementará un
tanque de forma cilíndrica con volumen superior a 971 dm
3
, para lo cual se
propone utilizar tanques de 1.100 l, dotado de 4 deflectores verticales
igualmente distanciados en las paredes del tanque, para evitar vórtices y el eje
del agitador a 3000 rpm, tendrá una inclinación de 15º con respecto a la
vertical.
Figura 4. Tanque para desinfección con cloro.
El volumen (V
Cloración
) del tanque de cloración se calcula:









Para la instalación del clorador se creará un circuito de recirculación que
permita el paso de un pequeño caudal de agua a través de la célula de medición
de la concentración. El agitador de hélice a utilizar posee elementos impulsores
de hojas cortas 12 cm, en este caso, giran a 3000 rpm. Al tanque de cloración
se le introduce cloro activo mediante un clorador amperométrico, que mantiene
una concentración constante de 5 g de cloro/dm
3
de agua. La verificación del
nivel de cloro libre presente en el agua potable lo realiza una sonda
amperométrica para cloro libre.
En función del nivel detectado por la sonda, a través del controlador digital, el
sistema actúa sobre la bomba dosificadora de hipoclorito de sodio (NaClO),
compuesto químico fuertemente oxidante y económico que contiene cloro en
estado de oxidación (+1). El sistema dosifica el producto cuando mantiene el
valor de concentración deseado (Russell, 2015).
El modelo propuesto para las comunidades de Balsa en Medio, Julián y
Severino satisface el requerimiento de un sistema que pueda ofrecer a sus
usuarios calidad en el agua consumida de manera independiente (ONU, 2014)
Entrada
de agua
filtrada
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visto que no se pueden vincular a sistemas interconectados con plantas de
tratamiento de mayor envergadura y que pueden ser administrados por las
propias comunidades como sugerido por PNUMA (2012).
Costos de implementación de la propuesta
La Tabla 5 resume los costos para la implementación de la propuesta. El
proceso de filtración es de bajo costo, pues los tanques son plásticos con
revestimiento antifúngico y sin recirculación; así como también, el sistema de
cloración conformado por tanques, hélices y ejes de acero inoxidable, están
disponibles en el mercado nacional.
El costo resulta aceptablemente conveniente, tanto que podría duplicarse por
comunidad, de manera que mientras uno está en fase de operación, el otro está
en etapa de mantenimiento.
Tabla 5. Precios de la implementación del sistema de tratamiento
Ítem considerado
Precio
unitario
($)
Cantidad/
comunidad
Precio para
una
comunidad
Precio para las
tres
comunidades
Tolvas 7.000 L
800,00
2
1.600,00
4.800,00
Tolva 14.000 L
1.000,00
1
1.000,00
3.000,00
Tanque 1.100 L
225,00
1
225,00
675,00
Bomba centrífuga
112,00
1
112,00
336,00
Sistema de cloración
950,00
1
950,00
2.850,00
Sistema de alimentación*
3.450,00
1
3.450,00
10.350,00
Instalación general
700,00
1
700,00
2.100,00
Subtotal
8.037,00
24.111,00
Imprevistos (15%)
1.205,55
3.616,65
Total ($)
9.242,55
27.727,65
*Amperométrico Fuente: Elaboración propia
De manera general, de ser implementada la propuesta del sistema para
tratamiento de las aguas para consumo humano en las comunidades de Balsa
en Medio, Julián y Severino ubicadas en la parte alta de la microcuenca del río
Carrizal, se estaría proporcionando incremento significativo de la calidad de
vida de las tres comunidades bajo estudio, particularmente las subpoblaciones
más vulnerables como niños, niñas y adultos mayores, cuyas dolencias se
asocian a la ingestión y contacto con agua de consumo contaminada.
Conclusiones
En el proceso de filtración propuesto se evidenció que las variables DBO
5;
sólidos totales; coliformes fecales y turbiedad, durante el proceso de filtrado por
arenas+gravas alcanzaron niveles permitidos de acuerdo a las normas
establecidas para el agua de consumo humano en el Ecuador.
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El uso de las zeolitas del tipo clinoptilolita y/o mordenita como procedimiento
para complementar el proceso de filtración, redujeron de manera significativa
los tenores de cobre, plomo, hierro, aluminio, cobalto y cromo, siendo la
mordenita la más eficiente.
El uso del tratamiento con cloro después del filtrado redujo en 87% la presencia
de coliformes fecales en el agua. Tales niveles están dentro de los rangos
permitidos para el consumo humano.
El sistema de tratamiento es de fácil operación y mantenimiento, sus costos
son aceptables y los insumos requeridos para su implantación están
disponibles en el Ecuador.
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