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Evaluación de la eficiencia de harina de semilla de
Vicia faba en la remoción de turbiedad del agua, en el
proceso de coagulación – floculación, para el
tratamiento de agua potable. Caso de estudio: Entidad
Prestadora de Servicios de Agua Potable y
Alcantarillado Sanitario Municipal de Copacabana,
Bolivia
Diego Monzón
Centro de Investigación en Cadena de
Suministros
Universidad Católica Boliviana “San Pablo”
La Paz, Bolivia
diego.morales.monzon@gmail.com
Carolina Garvizu
Centro de Investigación en Agua, Energía y
Sostenibilidad
Universidad Católica Boliviana “San Pablo”
La Paz, Bolivia
vgarvizu@ucb.edu.bo
Freddy Soria
Centro de Investigación en Agua, Energía y
Sostenibilidad
Universidad Católica Boliviana “San Pablo”
La Paz, Bolivia
fsoria@ucb.edu.bo
Resumen— El presente proyecto fue realizado para evaluar la
eficiencia de harina de semilla Vicia faba, comúnmente conocida
como haba, en la remoción de la turbiedad del agua. La selección
de la especie radica en su alta producción, en el área del
Municipio de Copacabana en Bolivia. La evaluación preliminar
del potencial coagulante de la harina de semilla de haba, se
realizó a través del empleo de la harina pura y deslipidificada, así
también con extracto crudo acuoso y salino de esta. Se obtuvieron
los mejores resultados con el extracto salino que finalmente es el
que se empleó para esta investigación. A través del diseño
experimental planteado de tres niveles y tres factores, se pudo
concluir que las variables que influyen en la turbiedad final
(variable respuesta), son: la dosis de coagulante y la velocidad de
floculación. La dosis de coagulante de extracto crudo salino de
harina de haba y la velocidad de floculación óptimas
determinadas a lo largo de las pruebas, permitieron hasta una
reducción del 49.02% de la turbiedad en agua sintética (caolín),
32.6 % en el agua del tanque cárcamo de la Entidad Prestadora
de Servicios de Agua Potable y Alcantarillado Sanitario (EPSA)
Municipal de Copacabana y 91.2 % del punto de aducción del
agua, que se encuentra en la playa de la ciudad de Copacabana.
Palabras Clave: Coagulante natural, Vicia faba, turbiedad,
Copacabana.
I. INTRODUCCIÓN
La accesibilidad al agua potable en países en vías de
desarrollo ha sido históricamente limitada para zonas rurales
donde se asienta la población con mayores niveles de
vulnerabilidad, lugares en que las acciones del Gobierno son
precarias por falta de recursos financieros, inapropiadas
tecnologías y desconocimiento socio-cultural de la misma
población [1].
El uso de las semillas de haba como coagulante, puede ser
eficaz tanto en la eliminación de turbidez, coliformes y metales
pesados, aunque la actividad coagulante no tiene alta eficiencia
en relación con otros coagulantes orgánicos, como la Moringa
Oleífera. Sin embargo, son escasos los coagulantes orgánicos,
que sean utilizados en la reducción de metales pesados, lo que
convierte al extracto del haba, como una planta a seguir en
estudios experimentales, además viable económicamente, ya
que se puede cultivar localmente [2]. Su origen natural,
garantiza la inocuidad para el ser humano, y la
biodegradabilidad de los lodos producidos, permite además su
utilización en la agricultura, su aplicación, no solo puede ir
dirigida a países en vías de desarrollo, sino también a
potabilización convencional y al tratamiento de aguas
residuales [3].
El potencial coagulante de la harina de haba, radica en su
composición. De acuerdo a lo establecido por Barzola (2015),
las características fisicoquímicas, se muestran en la Tabla I.
TABLE I. CARACTERÍSTICAS FISICOQUÍMICAS DE HARINA DE SEMILLA
DE HABA.
Característica Valor
pH 6.37
% Acidez Titulable 0.421
Azúcares Reductores (g.
glucosa/100 g. de harina)
1.670
% Almidón 41.265
Fuente: (Barzola, 2015, p 43)
El pH ácido de 6.37 de la harina de haba, se debe a que
contiene varios componentes como el ácido fítico, los cuales
contribuyen a la actividad de coagulación [4], en habas, los
niveles de ácido fítico oscilan entre 0,71-1,15% [5]. Otros
estudios sugieren que las proteínas presentes en esta especie,
son las principales responsables de los procesos de
coagulación [6].
Es así, que la experimentación con harina de haba en áreas
rurales de Bolivia, es de importancia, debido a la posibilidad de
mejorar la calidad de vida de las personas, permitiendo el
acceso a agua de mayor calidad.
VLIR UOS, Project:”Contribution to integrated water management in
Bolivia”.
Área de estudio
Copacabana es una ciudad turística, perteneciente al
Municipio del mismo nombre, se encuentra ubicada en la
Provincia Manco Kapac del Departamento de La Paz, Bolivia.
Su geografía pertenece a la región altiplánica, con serranías
cercanas al lago Titicaca. El clima es frío, su temperatura oscila
entre 9°C y los -10°C. Tiene una población aproximada de
14.931 habitantes. Limita al norte, al sur y al oeste con el lago
Titicaca y al este con el Municipio Tito Yupanqui. Su principal
actividad económica es la agropecuaria, la segunda es el
turismo [7].
Fig. 1. Ubicación de Copacabana, Bolivia.
La población de Copacabana se abastece de agua para consumo
y diversas actividades, del mayor recurso hídrico como es el
Lago Titicaca. Al ser también este cuerpo de agua, el receptor
de aguas residuales de la región, es importante poder plantear
sistemas de tratamiento contextualizados.
II. MATERIALES Y MÉTODOS
A. Selección y caracterización de la semilla de haba
Para el desarrollo del procedimiento de la evaluación de la
harina de semilla de haba para la remoción de turbiedad del
agua, se utilizó la semilla seca del tipo Gigante de Copacabana.
La selección y clasificación del calibre del haba, se realizó
según lo establecido en la Norma Boliviana (NB) 317001
“Legumbres y hortalizas - Habas secas - Requisitos”,
establecida por el El Instituto Boliviano de Normalización y
Calidad (IBNORCA). El calibre se centra en la variabilidad de
tamaño y peso de los granos, presentes en 28 g [8].
En el caso en específico, se determinó que el calibre de la
especie con la que se trabajó era de una clase extra, ya que el
peso registrado de 9 semillas era menor a los 28g.
Fig. 2. Determinación del calibre de la semilla de haba.
B. Preparación del agua turbia sintética de caolín
Se preparó una disolución de agua turbia sintética,
disolviendo 10 g de arcilla caolín en 1 l de agua destilada,
posteriormente se agitó a 500 rpm por un lapso de 30 minutos
y posterior sedimentación durante 24 horas para permitir la
hidratación completa de las partículas de caolín [9].
C. Extracción del aceite de la harina de semilla de haba.
Para la extracción del aceite de la harina de semilla de
haba, se preparó una suspensión al 5 % (p/v) de semillas
pulverizadas en etanol de 96º, agitando la solución a 500 rpm
durante 30 minutos, luego se dejó en reposo durante 1 hora.
Una vez transcurrido ese tiempo, se eliminó el sobrenadante
utilizando una pipeta, y la fracción de sólidos resultante se
dejó secar a temperatura ambiente durante 24 horas, tal como
lo establece Garcia Fayos (2007) [9].
Para comprobar la eficiencia del procedimiento planteado,
se realizaron pruebas complementarias de extracción del
aceite en un sistema Soxhlet, utilizando etanol de 96º como
disolvente en un lapso de tiempo de 5 horas. Se obtiene una
variación del 8.69% en cuanto a la extracción del aceite, por
lo que se decidió emplear el primer método.
D. Obtención del extracto crudo acuoso (ECA) y extracto
crudo salino (ECS) de la harina de haba
El líquido filtrado del proceso de extracción del aceite de
harina de semilla de haba con etanol de 96°, se constituye en
el extracto crudo.
En caso de la dilución de este con agua destilada, se
denominó extracto crudo acuoso (ECA) y cuando se realizó la
disolución con NaCl 0,5 M, se denominó extracto crudo salino
(ECS).
Durante la realización de las pruebas, ambos extractos se
conservaron refrigerados a 4º C hasta su uso, según el
protocolo establecido por Garcia Fayos (2007) [9].
Fig. 3. Filtración para la extracción del extracto crudo de semilla de haba.
E. Medición de la turbiedad
La medición de la turbiedad se realizó mediante el uso de
un turbidímetro de marca Hach (modelo:2100Q), que mide la
intensidad de la luz que pasa a través de una muestra de agua
o la intensidad de la luz que es dispersa por las partículas en
suspensión que están presentes en la muestra, desde una
dirección situada a 90° de la dirección original del haz de luz
[10].
El equipo utilizado tiene una exactitud de ± 2% de la
lectura más la luz difusa en el intervalo 0 – 1000 Unidades
Nefelométricas de Turbidez (UNT) [11].
F. Cálculo de porcentaje de remoción de turbiedad
El porcentaje de remoción de turbiedad se determinó de
acuerdo a lo establecido por Šciban, Klasnja, Antov & Skrbic
(2009) [12]:
%𝑅𝑒𝑚𝑜𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑇𝑢𝑟𝑏𝑖𝑒𝑑𝑎𝑑 =
∗ 100%
(1)
Este criterio, permitió la determinación del mejor extracto,
la mejor dosis del coagulante y de velocidad de floculación
óptima.
G. Dosis óptima de coagulante natural para el ECA y el ECS
de harina de haba
Para la determinación de la dosis óptima del coagulante
natural tanto con el ECA y el ECS, se evaluaron dosis en un
rango de 5 a 50 ml por cada litro de agua sintética de caolín.
H. Prueba de Jarras.
Para la prueba de jarras, se empleó el equipo Floc–Tester
modelo ET–750 de la marca Lovibond de 6 paletas,
considerando los criterios de operación establecidos según
Vasquez (2013) [13]:
Volumen de agua sintética = 15 ml.
Velocidad de agitación = 150 rpm
Tiempo de agitación para homogenización = 2 min.
I. Puntos de muestreo y proceso de recolección de muestras
de agua
Para las pruebas realizadas, se recolectaron diferentes
muestras de agua de dos puntos relacionados con el lugar de
abastecimiento de agua para la ciudad de Copacabana.
El primer punto es el tanque cárcamo de la EPSA
Municipal de Copacabana. En este tanque se almacena el agua
extraída del lago Titicaca para posteriormente ser bombeada
hasta la planta de tratamiento de agua potable.
El segundo punto considerado es el de la playa de
Copacabana, exactamente el punto de aducción del recurso
hídrico del cual se transporta al tanque cárcamo de la EPSA.
Para ambos procedimientos, se siguieron los protocolos
establecidos en las NB/ISO 5667 Calidad del agua – Muestreo
[14].
J. Diseño experimental
Una vez determinado el tipo de extracto que genera mayor
porcentaje de remoción de la turbiedad y la dosis óptima, se
procedió a realizar el diseño experimental, donde se definen
como constantes: el coagulante natural, la turbiedad inicial, el
tiempo de coagulación, el tiempo de floculación y el tiempo
de sedimentación que son determinados en base al documento
de Vargas (2004) [10]. Se consideran variables dependientes:
la dosis de coagulante (5, 15 y 25 ml), la velocidad de
coagulación (100, 200 y 300 rpm), la velocidad de floculación
(20, 30 y 40 rpm), ya que son los principales factores que
influyen de manera significativa en la remoción de turbiedad,
por la formación de flocs estables, para su posterior
sedimentación.
Es así que se consideró un diseño factorial 33 con 27
posibles combinaciones para el estudio, realizando un total de
81 tratamientos.
III. RESULTADOS
A. Dosis óptima del coagulante natural para el ECA y el ECS
de harina de haba.
La variación de la remoción de la turbiedad con los
diferentes extractos (ECA y ECS) de harina de haba en dosis
entre los 5 y 50 ml, mostró la siguiente tendencia:
Fig. 3. Variación de la remoción de la turbiedad con el tipo de extracto de
semilla de haba y la dosis de coagulante.
0
10
20
30
40
50
60
5 25 45
Porcentaje de remoción de
turbiedad (%)
Dosis de coagulante (ml/l)
ECA
ECS
Los rangos óptimos determinados en función a los valores
máximos del porcentaje de remoción de la turbiedad, para el
ECA y el ECS son: entre 10 a 14 ml y entre 8 y 12 ml,
respectivamente.
TABLE II. DOSIS ÓPTIMA PARA LA REMOCIÓN DE LA TURBIED SEGÚN
DIFERENTES EXTRACTOS DE HARINA DE SEMILLA DE HABA.
ECA ECS
Dosis (ml/l) % de remoción de
la turbiedad
Dosis
(ml/l)
% de remoción de la
turbiedad
0 2.51 0 2.12
10 31.48 8 45.48
11 32.36 9 49.02
12 29.79 10 47.18
13 29.05 11 43.45
14 25.12 12 41.75
En el caso del ECA la dosis óptima de coagulante
determinada es de 11 ml/l con una remoción del 32.36 % y
para el ECS es de 9 ml/l con el 49.02 %.
B.
Velocidad óptima para la floculación con
ECA y el ECS
de harina de haba
La velocidad de floculación es muy importante para la
formación de flocs estables, para su posterior sedimentación.
Se trabajó con las dosis óptimas determinadas para el ECA (11
ml) y el ECS (9 ml).
TABLE III. VELOCIDAD ÓPTIMA PARA LA FLOCULACIÓN SEGÚN
DIFERENTES EXTRACTOS DE HARINA DE SEMILLA DE HABA.
Velocidad
(rpm)
ECA ECS
Dosis de
coagulante
(ml/l)
% de
remoción de
la turbiedad
Dosis de
coagulante
(ml/l)
% de
remoción
de la
turbiedad
20 11 34.09 9 52.74
30 11 32.04 9 48.95
40 11 30.89 9 46.59
Según lo que se muestra en la Tabla III, la velocidad óptima
para la máxima remoción de la turbiedad de 52.74%, es de 20
rpm para el ECS.
C.
Pruebas de jarras con muestras de agua
Para la aplicación del coagulante natural de harina de
semilla de haba en muestras de agua, se consideraron las
condiciones óptimas determinadas, en este caso: extracto
crudo salino, 9 ml/l de dosis y una velocidad de 20 rpm.
En el caso
de las muestras de agua del tanque cárcamo
de la EPSA Municipal de Copacabana, los resultados
obtenidos se muestran en la Tabla IV.
TABLE IV. PORCENTAJE DE REMOCIÓN DE LA TURBIEDAD CON EL USO
DE ECS EN MUESTRAS DE AGUA DEL TANQUE CÁRCAMO DE LA DE LA
EPSA MUNICIPAL DE COPACABANA
Dosis de
coagulante (ml/l)
Turbiedad
Inicial (UNT)
Turbiedad
Final (UNT)
Remoción
turbiedad
(%)
0 1.94 1.87 3.61
8 1.78 1.42 20.22
9 1.81 1.22 32.6
10 1.74 1.26 27.59
11 1.83 1.45 20.77
12 1.81 1.52 16.02
En cuanto a las muestras de agua de la Playa de la ciudad
de Copacabana, tomando en cuenta las mismas condiciones,
los resultados obtenidos se encuentran en la Tabla V.
TABLE V. PORCENTAJE DE REMOCIÓN DE LA TURBIEDAD CON EL USO
DE ECS EN MUESTRAS DE AGUA DE LA PLAYA DE COPACABANA
Dosis de
coagulante (ml)
Turbiedad
Inicial (UNT)
Turbiedad
Final (UNT)
Remoción de
turbiedad
(%)
0
104
30.8
70.38
8
106
10.8
89.81
9
108
9.5
91.2
11
97.9
10.5
89.27
15
99.7
13.1
86.86
20
99
15
84.85
D.
Análisis de Varianza (ANOVA)
El Análisis de la Varianza (ANOVA)considera una
separación en cada uno de los efectos, por lo cual prueba la
significancia estadística de cada efecto, comparando su
cuadrado medio contra un estimado del error experimental. En
este caso, 4 efectos tienen una valor-P menor que 0.05,
indicando que son significativamente diferentes de cero con
un nivel de confianza del 95%.
Fig. 2. Análisis de la Varianza para la turbiedad final (Statgraphics
Centuriion XVI)
IV. DISCUSIÓN
Los estudios revisados presentan variaciones significativas
en cuanto a la remoción de la turbiedad entre los diferentes
coagulantes naturales obtenidos, esto depende de la calidad de
agua que se emplea para cada uno de los estudios en cuestión.
Uno de los coagulantes naturales más estudiados es el
obtenido a través del extracto salino de la semilla de Moringa
oleífera. Según lo establecido por Mejía Carrillo, Urquia
Collantes, Cabello Torres & Valdiviezo Gonzales (2020) [15],
se obtuvo hasta un 84.4% de la remoción de la turbiedad en
muestras de aguas residuales.
En el caso de la semilla de haba, los estudios revisados, se
desarrollan en países con las mismas características de la
ciudad de Copacabana, principalmente las geográficas.
La variación del porcentaje de remoción de la turbiedad en
el agua sintética de caolín, con el empleo de diferentes dosis de
coagulante de harina de semilla de haba, es significativa en el
rango de 0 a 50 ml de dosis y también con el distinto extracto
utilizado, ya sea acuoso o salino.
Es notorio el mayor porcentaje obtenido con el ECS
(49.2%) como se muestra en la Tabla II, dichos valores
presentan una correlación con lo planteado por Tunco (2019)
[16], comparados con el uso del sulfato de aluminio como
coagulante químico. Sin embargo, presentan gran diferencia
según lo señalado por Huaroma (2018) [17], que obtiene
valores de remoción de hasta el 97.63% en la floculación
ortocinética utilizando Vicia faba, esto puede deberse a la
variación del contexto de los diferentes estudios.
En cuanto a la velocidad para la floculación, se obtuvieron
mayores valores de remoción de turbiedad a 20 rpm tanto con
el uso del ECA como con el ECS en calidad de coagulantes
naturales; el valor más alto ocurrió con este último, 52.74%.
De acuerdo a los resultados mostrados en Figura 2 del
ANOVA, el valor-P de la variable independiente A: Dosis de
coagulante es menor al nivel de significancia de 0,05, por
tanto, se rechaza la hipótesis nula, ya que la variable es
diferente de cero, es decir la variable A: dosis de coagulante
influye en la variable de respuesta turbiedad final. En cuanto
al valor-P de la variable B: velocidad de coagulación, es mayor
al nivel de significancia 0,05, por lo que se acepta la hipótesis
nula, es decir la variable B: velocidad de coagulación no tiene
influencia en la variable de respuesta turbiedad final. El valor-
P de la variable C: velocidad de floculación es menor al nivel
de significancia 0,05, por tanto, se rechaza la hipótesis nula, la
variable C: velocidad de Floculación influye en la variable de
respuesta turbiedad final. Finalmente, se puede apreciar que
el efecto AC tiene el valor-P menor al nivel de significancia,
siendo la interacción de los factores A: Dosis de Coagulante y
C: velocidad de floculación tienen influencia en la variable de
respuesta de turbiedad final.
V. CONCLUSIONES
El ECS de la harina de semilla de haba se considera el
coagulante natural con el que se obtuvieron los porcentajes más
elevados de remoción de la turbiedad.
En cuanto a las pruebas con agua sintética de caolín, se
alcanzó un 49.02% de remoción con una dosis óptima de 9 ml/l
y un 52.74% con la misma dosis a una velocidad de floculación
de 20 rpm. Se puede inferir de manera preliminar, la existencia
de una relación inversamente proporcional entre el porcentaje
de remoción y la velocidad para la floculación. Sin embargo,
los resultados obtenidos en este estudio, deberán ser ampliados
en posteriores iniciativas a cerca de la temática.
Para las muestras de agua del tanque cárcamo de la EPSA
Municipal de Copacabana y del punto de aducción de agua
(Playa de Copacabana), los valores de remoción obtenidos
fueron de 32.6 % y 91.2%, respectivamente. Si bien en algunos
estudios se obtienen porcentajes de remoción mayores con
otros tipos de muestras, se sugiere que también se considere la
estacionalidad en torno a la toma de muestras, ya que la calidad
de estas puede variar.
Aunque los resultados obtenidos con ECA no fueron tan
buenos como los obtenidos con el ECS, se puede buscar
combinaciones de diferentes coagulantes naturales que
permitan mayor eficiencia en cuanto a la turbiedad del agua.
Se necesita la generación de mayores iniciativas de
investigación en torno al impacto en la salud de los coagulantes
convencionales y las potencialidades que pueden generar los
coagulantes naturales.
VI. REFERENCIAS
[1] Ramírez, H., & Jhoan Jaramillo. (2014). “Uso potencial de agentes
clarificantes y desinfectantes de origen natural para el tratamiento
integral del agua caracterizado por pisos térmicos” (Vol. 10). Ingeniería
Ambiental, 2014. http://doi:http://dx.doi.org/10.16925/in.v9i17.813
[2] Rajput, S., Bapat, K., & Choubey, S. (2012). Bioremediation- Natural
Way for Water Treatment (Vol. 29). J. Biol. Chem. Research. Obtenido
de
http://www.jbcr.co.in/Current_Issue/Volume%2029%20(2)%20Dece
mber%202012/Bioremediation-Natural-Way-for-Water.pdf
[3] Van Benschoten, J. E., & Edzwald, J. K. (1990). Aspectos químicos de
la coagulación utilizando sales de aluminio. II. Coagulación del ácido
fúlvico utilizando aluminio y cloruro de polialuminio. (Vol. 24).
[4] Crépon, K., Marget, P., Peyronnet, C., Carrouée, B., Arese, P., & Duc,
G. (2010). Nutritional value of faba bean (Vica Faba L.) seeds for feed
and food. Field Crops. Obtenido de
https://www.academia.edu/19871783/Nutritional_value_of_faba_bean
_Vicia_faba_L._seeds_for_feed_and_food
[5] Carnovale, E., Lugaro, E., & Lombardi-Boccia, G. (1988). Phytic acid
in Faba bean and pea: effect on protein availability. Cereal Chem.
[6] Ndabigengesere, A., SubbaNarasiah, K., & G.Talbot, B. (1995). Active
agents and mechanism of coagulation of turbid waters using Moringa
oleifera.
[7] Gobierno Autónomo Departamental de La Paz. (2019). Obtenido de:
http://milapaz.travel/municipio/index/copacabana/12
[8] Instituto Nacional de Innovación Agropecuaria y Forestal - INIAF
(2015). Manual de Producción de Semilla Certificada de Haba. La Paz,
Bolivia.
[9] Garcia Fayos, B. (2007). Metodología de extracción in situ de
coagulantes naturales para la clarificación de agua superficial. Tesis de
Maestria. Universidad Politécnica de Valencia. Valencia, España.
[10] Vargas, L. (2004). Tratamiento de Agua para Consumo Humano
Plantas de Filtración Rápida. Lima, Perú
[11] HACH. (2017). Manual de Usuario 2100Q. Obtenido de
www.hach.com
[12] Sciban, M., Klasnja, M., Antov, M., & Skrbic, B. (2009). Removal of
water turbidity by natural coagulants obtained from chestnut and acorn.
Novi Sad: Elsevier Ltd.
[13] Vasquez, L. (2013). Remoción de turbiedad de agua con coagulantes
naturales obtenidos de semillas (Eritrina americana, Quercus ilex,
Acacia farnesiana, Viscum album y Senna candolleana). Oaxaca,
México.
[14] NB/ISO 5667 496 Calidad del agua – Muestreo (2019). Instituto
Boliviano de Normalización y Calidad "IBNORCA". La Paz, Bolivia.
[15] Mejía Carrillo, P. W., Urquia Collantes, K., Cabello Torres, R. J.,
Valdiviezo Gonzales, L. G. (2020). Evaluation of Moringa oleífera in
the water treatment with high turbidity and organic. Ingeniería del agua,
24(2), 119-127. https://doi.org/10.4995/Ia.2020.12274
[16] Tunco Cabana, S. (2019) Eficacia de la harina de haba (Vicia faba)
como ayudante de coagulación del sulfato de aluminio en el tratamiento
de agua para consumo humano.
https://repositorio.upeu.edu.pe/handle/UPEU/2641
[17] Huaroma Romero, H.W. (2016). Determinación de los parámetros
hidráulicos en la floculación ortocinética utilizando la Vicia faba, para
la remoción de turbiedad del Río Monterrey . Huaraz Ancash, Perú.
