Análisis experimental mediante plantas piloto para el tratamiento de aguas, aplicando tecnologías de biofiltración en el sector rural

Resumen

La disponibilidad y calidad del agua no siempre es adecuada para su consumo de forma directa sin un previo tratamiento. Situación que se presenta con mayor incidencia en los sectores rurales de los países en desarrollo, donde los habitantes en algunos casos consumen el agua directamente de la fuente sin un tratamiento. Además, pensar en un sistema centralizado de agua potable resulta en la mayoría de casos imposible por el distanciamiento disperso de las viviendas y en otras ocasiones por la ubicación topográfica que limita su implementación. Es en este contexto, que la presente tesis doctoral pretende por medio de esta investigación determinar un método convencional de tratamiento del agua, que sea de bajo coste, y que pueda ser implementado en viviendas unifamiliares o en pequeños asentamientos dispersos del sector rural. Se estima que uno de los tratamientos más adecuados para ser implementado en la zona rural es la biofiltración, que se basa en un sistema de filtros de cerámicas, arena, gravas, biocarbones, fibras y otros materiales que favorecen la remoción de agentes contaminantes del agua. Estos materiales son igual de eficientes que los utilizados comercialmente en grandes sistemas centralizados de tratamiento del agua, además son sencillos en su elaboración, mantenimiento y sobre todo son económicos. Otro factor muy importante es que, al utilizar materiales propios del sector, procesarlos y utilizarlos en el tratamiento del agua, se da un valor agregado a materiales que, por otra parte, resultan ser muy eficientes para este fin. El estudio del proceso de tratamiento se ha desarrollado experimentalmente en plantas piloto a escala real en determinadas zonas rurales del sur del Ecuador. Estos pilotos son capaces de abastecer a la población con una dotación considerada mínima para la hidratación de una persona de 7.5 L/día, valor recomendado por la Organización Mundial de la Salud. Estas plantas piloto se configuraron de acuerdo a la disponibilidad local de materiales filtrantes y al tipo de agua a tratar. Se realizaron varios pilotos de biofiltración entre los que se pueden destacar las siguientes. En primer lugar, se construyó una planta piloto para la eliminación de Coliformes totales (CT) y Escherichia coli (E. coli) del agua, mediante filtración directa en lechos conformados por esferas cerámicas, arena de sílice y cartucho de carbón activado. La eficiencia en la eliminación de los CT fue superior al 70% en los filtros cerámicos, en los filtros de arena superior al 90% y en los filtros de carbón activado llegaron a eliminar hasta el 100%. En el caso de la E. coli todos los materiales filtrantes lograron eliminar hasta el 100% respecto al influente. Los principales mecanismos que permitieron eliminar bacterias fueron la inactivación producida por los minerales de arcilla, así como la adhesión (donde se generan interacciones químicas y físicas entre la superficie del material y las bacterias). El costo del material cerámico fue de USD 0.78/kg, esto lo convierte en un material competitivo en el mercado. Se construyó otro sistema piloto para remover Pb2+, Fe2+ y Mn2+, de un agua natural, con el uso de cerámicas obtenidas de arcillas naturales puras y combinadas con subproductos agrícolas como cáscara de arroz y semillas de alpiste. Para la remoción de Pb2+, Fe2+ y Mn2+ el material de mejor eficiencia fue la cerámica obtenida de arcilla natural adicionada con semillas de alpiste, logrando una remoción superior al 76%, 31% y 79%, respectivamente. En el caso del Zn2+ el material con mayor eficiencia fue el obtenido de la combinación de arcilla natural con cáscara de arroz con valores de remoción superiores al 76%. También se elaboró y analizó un material filtrante tipo biocarbón obtenido de subproductos agrícolas (como cáscara de maní, zuro de maíz y fruto de chonta), para la eliminación de Plomo y Cadmio del agua. El biocarbón de mejor eficiencia para remover el Pb2+ y Cd2+, fue el obtenido de la cáscara de maní con una adsorción de 2.528 mg/g y 0.314 mg/g, respectivamente. El resto de biocarbones trabajaron eficientemente, pero con valores de eficiencia menores al obtenido con el biocarbón de cáscara de maní. Se comprobó que la remoción se dio por adsorción en biocarbón, aunque también se promueve mediante reacciones químicas, complejación e intercambio iónico. Se pudo comprobar que la adsorción es una tecnología de bajo costo (USD 0.35/kg) y fácil de implementar en los sistemas de tratamiento de agua potable. El beneficio socioeconómico de las tecnologías propuestas, es muy relevante para los países en desarrollo. Además de solucionar las características microbiológicas del agua, se evitan enfermedades graves en niños y adultos por medio del consumo de agua insalubre. Por otro lado, se transfiere tecnología a los sectores rurales, incluso resultando ser atractiva para los productores locales de cerámicas. Por último, se da un valor agregado a los materiales arcillosos, áridos y subproductos de origen agrícola con lo cual se consigue un uso sostenible de los residuos o subproductos agrícolas, que de otro modo tendrían que ser gestionados, incurriendo en costes importantes.