Artículo original

Remoción de contaminantes en aguas residuales mediante el polielectrolito catiónico extraído de las semillas de Moringa oleífera

Removal of pollutants from wastewater using cationic polyelectrolyte extracted from Moringa oleifera seeds

0000-0003-3544-443XHolanda Teresa Vivas Saltos^{1  *}  , 0000-0002-3315-997XJosé Manuel Calderón Pincay¹  , 0000-0002-1153-9867Laura Gema Mendoza Cedeño¹  , 0000-0002-9669-3539José Gerardo Cedeño Zambrano¹ 

¹Escuela Superior Politécnica Agropecuaria de Manabí Manuel Félix López, Manabí, Ecuador

RESUMEN

Esta investigación pretende evaluar la eficiencia del polielectrolito catiónico de la Moringa oleífera en la remoción de contaminantes de aguas residuales. Se aplicó un diseño completamente al azar en un arreglo unifactorial, con cuatro tratamientos y tres repeticiones. El coagulante polielectrolito catiónico extraído de la semilla de moringa tuvo una dosis de 1, 2 y 4 mL y como testigo el sulfato de aluminio. Se tomó una muestra de 9000 mL de agua residual, se realizó la caracterización física presentando 120 mg/L de SST, 43,52 FAU de turbidez y 456 Pt/Co de color. No hubo diferencias significativas entre tratamientos de acuerdo a la prueba de ANOVA (p: 0.707), por lo que se evidencia que el tratamiento a base de moringa en sus diferentes concentraciones es un buen coagulante para remover contaminantes en aguas residuales.

Palabras-clave: Agua residual; coagulante; Moringa oleífera; polielectrolito catiónico; remoción

ABSTRACT

This research aims to evaluate the efficiency of the cationic polyelectrolyte of Moringa oleifera in removing pollutants from wastewater. A completely randomized design was applied in a unifactorial arrangement, with four treatments and three repetitions. The cationic polyelectrolyte coagulant extracted from the moringa seed had a dose of 1, 2 and 4 mL and aluminum sulfate as a control. A sample of 9000 mL of residual water was taken, the physical characterization was carried out showing 120 mg/L of SST, 43.52 FAU of turbidity and 456 Pt / Co of color. There were no significant differences between treatments according to the ANOVA test (p: 0.707), so it is evidenced that the treatment based on moringa in its different concentrations is a good coagulant to remove contaminants in wastewater.

Key words: Waste water; coagulant; Moringa oleifera; cationic polyelectrolyte; removal

Introducción

El aumento de la contaminación ambiental conduce a un deterioro de la calidad del agua y requiere la eliminación de una variedad de contaminantes de las aguas residuales superficiales (^{Ghimici, 2016}; ^{Tao et al., 2016}). Actualmente, los coagulantes o floculantes tradicionales utilizados en el tratamiento de aguas pueden contrarrestar estos problemas, sin embargo, existe una gran necesidad de encontrar algunos agentes más biodegradables, rentables y más respetuosos con el medio ambiente como sustitutos de las soluciones existentes (^{Grenda et al., 2020}; ^{Watanabe et al., 2016}).

Según el Programa Mundial de las Naciones Unidas de Evaluación de los Recursos Hídricos (WWAP, 2018) se espera que el deterioro de la calidad del agua aumente durante las próximas décadas, lo que conlleva un incremento de las amenazas para la salud humana, el medio ambiente y el desarrollo sostenible. Además, se estima que el 80% del total de las aguas residuales se libera al medio ambiente sin ningún tratamiento previo (²¹). En Ecuador solo el 8% de las aguas negras tienen algún nivel de tratamiento (^{Cabrera et al., 2010}). Uno de los principales contaminantes del agua son los sólidos suspendidos totales (SST), que contribuyen a mayores costos para el tratamiento del agua, la disminución de los recursos pesqueros y la estética general del agua (^{Verma et al., 2013}; ^{He et al., 2019}).

La purificación no convencional de agua cruda se puede dar utilizando coagulantes naturales, entre ellos el extracto de semillas de Moringa oleífera, que remueve los coloides de aguas crudas y contaminadas (^{Vunain et al., 2019}). Además, este constituye una alternativa a otros compuestos, que en grandes cantidades llegan a ser tóxicos, causando efectos negativos en la salud humana (^{Acevedo, 2019}). El presente estudio contribuye a los esfuerzos para identificar un coagulante natural alternativo sostenible, ecológico y de bajo costo para el tratamiento de aguas residuales en Manabí y para determinar si el polielectrolito catiónico de la Moringa (Moringa oleífera) es eficiente en la remoción de solidos suspendidos totales, turbidez y color. Se planteó como objetivo evaluar la eficiencia del polielectrolito catiónico de la Moringa (Moringa oleífera) en la remoción de contaminantes de la Planta de tratamiento de agua residual de la ESPAM MFL.

Metodología

Diseño experimental

En esta investigación se aplicó el método experimental que permitió la manipulación de las variables para obtener el mejor resultado, para ello se necesitó una secuencia de las pruebas de jarras realizadas en el laboratorio. Además, se empleó el factor en estudio, que es la cantidad (mL) de polielectrolito catiónico y (g) Sulfato de aluminio.

Niveles del factor en estudio:

• Sulfato de aluminio (P0) = 0,5 g

• Polielectrolito (P1) = 1 mL

• Polielectrolito (P2) = 2 mL

• Polielectrolito (P3) = 4 mL

Se realizaron cuatro tratamientos, estando compuestos por los tres niveles del factor en estudio más el testigo, cada uno con tres repeticiones (P+1) *r, dando un total de 12 unidades experimentales (Tabla 1). El experimento fue conducido bajo los lineamientos del Diseño Completamente al Azar (DCA) en un arreglo unifactorial (P+1).

Tabla 1 Tratamientos empleados en la investigación 

Tratamiento	Unidades experimentales	Dosis
T0	R1	Testigo
	R2
	R3
T1	R1	1 mL
	R2
	R3
T2	R1	2 mL
	R2
	R3
T3	R1	4 mL
	R2
	R3

Las combinaciones utilizadas se describen en la tabla 2:

Tabla 2 Descripción de las unidades experimentales 

Nomenclatura	Unidad experimental	Combinaciones		rowspan="2">Tiempo de agitación
		Polielectrolito catiónico	Agua Residual
T0	R1	Testigo	500 mL	15 minutos
	R2
	R3
T1	R1	1 ml	500 mL	15 minutos
	R2
	R3
T2	R1	2 ml	500 mL	15 minutos
	R2
	R3
T3	R1	4 ml	500 mL	15 minutos
	R2
	R3

Se utilizó la Estadística Inferencial para contrastar las hipótesis planteadas, utilizando el software estadístico InfoStat. Se desarrollaron las siguientes pruebas tabla 3:

• Análisis de la Varianza (ANOVA) - unifactorial.

• Prueba de hipótesis.

• Gráficos Estadísticos.

Tabla 3 Fuentes de interés del ANOVA del DCA 

Fuente de variación	Grados de libertad
Total	11
Tratamientos	4
Error Experimental	8

Extracción del polielectrolito catiónico de la Moringa oleífera

Se recolectaron en la ciudad de Calceta, un total de 2000 semillas de moringa en un periodo de 6 meses para el desarrollo de la presente investigación. Siguiendo el método de ^{García (2007}), se retiraron las semillas de Moringa Oleífera manualmente de las vainas, luego se secaron durante una hora en una estufa a 105 °C, se trituraron en un molino manual y se tamizaron en una malla de 500 micras, dando como resultado 800 g de harina.

Se prepararon los 800 g de harina en 400 mL de alcohol etílico al 95% de pureza, se removió la mezcla por 30 minutos, se dejó reposar durante una hora, con el objetivo de extraer el aceite, luego, se preparó 5 g de cloruro de sodio en 500 mL de agua destilada y se procedió a agregar la harina ya preparada removiéndola durante 15 minutos, una vez transcurrido el tiempo se filtró la mezcla, obteniendo 400 mL de polielectrolito catiónico de la semilla de Moringa oleífera. Después de obtener el extracto del compuesto activo se dejó reposar por 24 horas en un refrigerador a 4°C.

Caracterización del agua residual

Se realizó una toma de muestra simple en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de la ESPAM MFL, según la norma ^{NTE INEN 2169 (2013)}. La muestra de agua fue llevada al laboratorio del área Agroindustrial de la Escuela Superior Politécnica Agropecuaria de Manabí “MFL”, donde se realizaron los respectivos análisis físicos de sólidos suspendidos totales mediante el análisis gravimétrico y aplicando la siguiente ecuación.

(1)

Donde

ST =	Sólidos totales en los 100 mL muestra (g)
SDT =	Sólidos disueltos totales en los 100 mL muestra (g)
SST =	Sólidos suspendidos totales (mg/L)

La turbidez y color se determinaron mediante el equipo colorímetro marca Spectroquant Move 100 y se obtuvieron los resultados del agua residual antes del tratamiento, como se muestran en la tabla 4:

Tabla 4 Análisis de agua residual 

Sólidos Suspendidos totales			rowspan="2">Turbidez (FAU)	rowspan="2">Color (Pt/co)
ST (g)	SDT (g)	SST (mg/L)
0,207	0,195	120	43,52	456

Determinación del porcentaje de remoción de contaminantes del agua residual con la mejor dosis del polielectrolito catiónico

Se aplicó el método de prueba de jarra para determinar la mejor dosis de polielectrolito catiónico de la Moringa oleífera; para el desarrollo de los análisis se realizaron tres repeticiones para cada uno de los tratamientos: T₀ (testigo), T₁ (1 mL), T₂ (2 mL) y T₃ (4 mL).

En cada vaso del equipo de jarras se colocaron 500 mL de agua residual, previamente agitada por un tiempo de 2 minutos, se añadió las diferentes dosis de polielectrolito catiónico de la moringa y sulfato de aluminio en cada vaso. Se ubicaron las paletas dentro de las jarras, activando el sistema de agitación a una velocidad máxima de 280 rpm durante 30 segundos de agitación, luego se redujo la velocidad de las paletas a 140 rpm y se dejó flocular por 15 minutos.

Una vez transcurrido el tiempo de agitación, se detuvo el agitador, se extrajeron las paletas y se dejó sedimentar por un lapso de tiempo de 24 horas, pasado el tiempo de sedimentación, se tomaron las muestras de cada jarra para determinar los parámetros de sólidos suspendidos totales, turbidez y color.

Determinación de la mejor dosis

Para la determinación de la mejor dosis se aplicó la siguiente ecuación:

(2)

Donde

E:	Eficiencia de remoción (%)
S inicial :	Carga contaminante antes del tratamiento
S final :	Carga contaminante después del tratamiento

Resultados y discusión

Se determinó mediante análisis de varianza (ANOVA) que los tratamientos no presentan diferencias significativas en la remoción de sólidos suspendidos totales (valor P igual a 0.707), es decir hay homogeneidad entre ellos, a un nivel de confianza del 95%. tabla 5

Tabla 5 ANOVA de los resultados de la variable SST 

F.V.	GL	SC	CM	F	p - valor
Tratamiento	3	141.67	47.22	0.48	0.707
Error	8	793.33	99.17
Total	11	935.00

En la tabla 6 se muestran los resultados obtenidos de los análisis de laboratorio de la muestra de agua, en cada una de las repeticiones y tratamientos.

Tabla 6 Resultados de los análisis de cada una de las repeticiones 

Tratamiento	SST en agua residual	ST (g)	SDT (g)	SST en agua tratada	Tabla 12. LMP de SST (TULSMA)	Remoción (%)	Promedio (%)
T0	120 mg/L	0,2045 g	0,2011 g	34 mg/ L	100 mg/ L	92	79,67
	120 mg/ L	0,1945 g	0,1922 g	23 mg/ L	100 mg/ L	86
	120 mg/ L	0,2000 g	0,1987 g	13 mg/ L	100 mg/ L	61
T1	120 mg/ L	0,1980 g	0,1970 g	10 mg/ L	100 mg/ L	92	86,00
	120 mg/ L	0,1940 g	0,1920 g	20 mg/ L	100 mg/ L	83
	120 mg/ L	0,1920 g	0,1910 g	20 mg/ L	100 mg/ L	83
T2	120 mg/ L	0,2000 g	0,1980 g	20 mg/ L	100 mg/ L	83	89,00
	120 mg/ L	0,1980 g	0,1970 g	10 mg/ L	100 mg/ L	92
	120 mg/ L	0,1990 g	0,1970 g	10 mg/ L	100 mg/ L	92
T3	120 mg/ L	0,1970 g	0,1950 g	10 mg/ L	100 mg/ L	92	83,33
	120 mg/ L	0,1950 g	0,1940 g	20 mg/ L	100 mg/ L	83
	120 mg/ L	0,1930 g	0,1900 g	30 mg/ L	100 mg/ L	75

Nota. LMP (Límite Máximo Permisible)

TULSMA (Texto Unificado de Legislación Secundaria de Medio Ambiente)

Los valores de sólidos suspendidos totales están entre 10-30 mg/l, por debajo de los límites máximos permisibles establecidos en la normativa legal vigente para descargas a un cuerpo de agua dulce del Ministerio del Ambiente (^{MAE, 2015}). Además, una proteína catiónica contenida en el cotiledón de Moringa ayuda a los procesos de coagulación y floculación (^{Landazuri et al., 2018}).

Los resultados presentados en la figura 1 muestran las medias obtenidas de la prueba de SST de cada tratamiento, donde el valor medio con mayor eficiencia fue alcanzado por el tratamiento T₂ (2 mL) obteniendo un 89% en la remoción de sólidos suspendidos totales, seguido por el Tratamiento T₁ (1 mL) con un 86% y el tratamiento T₃ (4 mL) con 83,33%, mientras que el tratamiento que presenta menor eficiencia fue el tratamiento T₀ (Testigo) con 79,67%. Por lo tanto, la dosificación adecuada para remover SST es de 2 mL de polielectrolito catiónico para tratar 500 mL de agua residual (lo que equivale a 4 mL por litro), sin embargo, al aumentar la dosis a 4 mL, los niveles SST vuelven a disminuir. En un estudio comparativo realizado por ^{Montesdeoca et al. (2018}), se demostró que el polielectrolito de moringa en dosis de 2 mL presentó el 92% de remoción de SST, resultado similar con la aplicación de la misma dosis de sulfato de aluminio con el 94% de remoción.

Fig. 1 ANOVA de los resultados de la variable SST 

En este sentido, se puede afirmar que M. oleífera resulta un coagulante efectivo en tratamiento de aguas residuales y es una posible alternativa, ya que no deja residuos tóxicos en el agua tratada que pudieran afectar el organismo, dado su origen vegetal y disminuye gran parte de los sólidos presentes en el agua mediante procesos de adsorción, datos que se comparan con un estudio realizado en Brasil en donde tenían por objetivo comparar la eficiencia de dos coagulantes, el sulfato de aluminio y el polielectrolito catiónico de la semilla de Moringa oleífera para la remoción de sólidos, determinando que la diferencia entre los coagulantes es baja, por lo que la moringa podría sustituir a este coagulante sintético (^{Paredes, 2013}).

La turbidez se expresó en %, y se determinó estadísticamente que los tratamientos no presentan diferencia significativa entre sí, con un nivel de confianza del 95% (Tabla 7).

Tabla 7 ANOVA de los resultados de la variable turbidez 

F.V.	GL	SC	CM	F	p - valor
Tratamiento	3	1134.25	378.08	1.42	0.307
Error	8	2132.67	266.58
Total	11	3266.92

En la tabla 8 se muestran los resultados obtenidos de los análisis de laboratorio de la muestra de agua, en cada una de las repeticiones y tratamientos.

En la remoción de turbidez con el polielectrolito catiónico de moringa, el valor medio con mayor eficiencia fue T₁ (1 mL) con el 28% y el tratamiento con menor eficiencia fue el T₃ (4 mL) con 10% (Figura 2). Además, existe un rango de significatividad pues los valores muestran que la menor turbidez se presenta en la media del tratamiento T₃, donde se puede verificar que al aumentar la dosis de 1 mL a 4 mL se redujo la eficiencia de remoción, datos que se pueden comparar con un estudio realizado por ^{Arias et al. (2017}) en el que evalúan la semilla de Moringa oleífera en el tratamiento de aguas residuales de una central de sacrificio, determinando que la turbidez más baja se obtuvo donde se aplicó la dosis de 150 mL a una concentración del 5% con una remoción entre el 19 al 21%, versus a la dosis máxima de 200 mL con concentración de 20%, se evidencia que no necesariamente a mayor concentración de solución coagulante se da un mayor nivel de remoción en la turbidez, información que concuerda con ^{Arias y Méndez (2014)} mencionan que se necesita menor cantidad de coagulante de la moringa para obtener una eficiencia de remoción superior de turbidez, ya que una sobredosificación del polímero causa un efecto negativo en el proceso físico-químico de coagulación-floculación, afectando el tamaño del floculo, no obstante, grados de remoción de turbidez hasta 24% sugieren una optimización del proceso de extracción del polielectrolito tabla 8.

Tabla 8 Resultados de los análisis de cada una de las repeticiones 

Tratamientos	Agua residual (FAU)	Agua tratada (FAU)	Remoción de turbidez (%)	Promedio de remoción (%)
T0	43,52	25	43	37,00
	43,52	38	13
	43,52	20	55
T1	43,52	35	20	28,00
	43,52	36	17
	43,52	32	47
T2	43,52	39	10	25,33
	43,52	26	40
	43,52	35	26
T3	43,52	47	0	10,00
	43,52	39	10
	43,52	41	20

Fig. 2 Categorización mediante la prueba de medida de la Variable turbidez 

Existen varios estudios que informan sobre la capacidad de Moringa oleífera en la eliminación de turbidez debido a la proteína catiónica contenida en el cotiledón de la semilla (Baptista et al., 2017), concordando con los resultados obtenidos. Además, ^{Landazuri et al. (2018}) lograron demostrar los efectos bactericidas de Moringa oleífera al reducir en 89.7% la cantidad de E. coli presente en el Río Monjas de Quito-Ecuador.

En el color los tratamientos no presentan diferencias significativas, a un nivel de confianza del 95%, con un valor de P de 0.2617 (Tabla 9).

Tabla 9 ANOVA de los resultados de la variable de color 

F.V.	GL	SC	CM	F	p - valor
Tratamiento	3	762.92	254.31	1.61	0.2617
Error	8	1262	157.75
Total	11	2024.92

En la Tabla 10 se muestran los resultados obtenidos de los análisis de laboratorio de la muestra de agua, en cada una de las repeticiones y tratamientos.

Tabla 10 Resultados de los análisis de cada una de las repeticiones 

Tratamientos	Agua residual (Pt/Co)	Agua tratada (Pt/Co)	Remoción de turbidez	Promedio de remoción (%)
T0	456	324	29	25,67
	456	443	3
	456	249	45
T1	456	384	16	15,33
	456	421	8
	456	356	22
T2	456	444	3	6,00
	456	457	0
	456	387	15
T3	456	551	0	6,67
	456	383	16
	456	440	4

Para el color (figura 3), el valor promedio con mayor eficiencia fue el tratamiento T₀ (testigo) con 25,67 % de remoción, seguido por el tratamiento T₁ (1 mL) con 15,33 % y el tratamiento con menor eficiencia fue el tratamiento T₂ (3 mL) con 6%. Según los resultados obtenidos se puede verificar que la eficiencia de remoción en las variables de color y turbidez fueron de entre 6-28%, menores a comparación de la remoción de sólidos suspendidos totales que estuvieron entre 83-89%, datos que se relacionan con un estudio realizado por ^{Moreno (2018}), donde menciona que a pesar de que investigaciones afirman que el polielectrolito catiónico de la Moringa oleífera presenta una buena eficiencia como coagulante natural en relación a los sintéticos, no interaccionaron lo suficiente con las partículas coloidales responsables de la turbidez y el color en el agua residual. Por otra parte, en el estudio realizado por ^{Revelo (2015}), se recomienda filtrar el agua con zeolita activada para remover trazas de color.

Fig. 3 Categorización mediante la prueba de media de la variable de color 

Conclusiones

Mediante este estudio se ha demostrado que el extracto de semillas de Moringa oleífera tiene un alto potencial para reducir SST de aguas residuales; se obtuvo que el T1 (1mL) alcanzó una remoción de SST de 86%, el T2 (2mL) removió 89% de SST y el T3 (3mL) mostró una eficiencia de 83,33%, por lo que se determinó que el T2 es el tratamiento de mayor remoción. Asimismo, también se logra reducir el nivel de turbidez y color alcanzándose un rango de remoción de entre 6-28%, siendo menor el efecto de los tratamientos sobre estas variables debido a una baja interacción entre las partículas coloidales responsables de estos parámetros con el extracto de semillas de Moringa oleífera.

De acuerdo al análisis de varianza la remoción de SST, turbidez y color no presentan diferencias significativas entre tratamientos, esto sugiere que el extracto de Moringa oleífera es un coagulante efectivo en tratamiento de aguas residuales, mostrando resultados similares a la aplicación de sulfato de aluminio; además, dado su origen vegetal, es una alternativa ecoamigable pues no genera residuos tóxicos en el agua tratada.

Referencias

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21.  WWAP (Programa Mundial de Evaluación de los Recursos Hídricos de las Naciones Unidas) (2017) Informe Mundial de las Naciones Unidas sobre el Desarrollo de los Recursos Hídricos 2017. Aguas residuales: El recurso desaprovechado, UNESCO París. extraído de: https://unesdoc.unesco.org/ark:/48223/pf000024764721.

Recibido: 15 de Enero de 2022; Aprobado: 24 de Abril de 2022

^*Autor para la correspondencia: [e-mail]

Los autores declaran que no existen conflictos de intereses.

Holanda Teresa Vivas Saltos. Elaboró y ejecutó la metodología del trabajo para determinar la dosis óptima del polielectrolito catiónico de la semilla de la moringa (Moringa oleífera) en la remoción de contaminantes del agua residual, a través de la aplicación del diseño experimental propuesto para el efecto. Participó en la revisión bibliográfica y redacción final de trabajo.

José Manuel Calderón Pincay [e-mail]. Realizó la caracterización del agua residual cumpliendo los protocolos establecidos en la universidad. Así mismo, efectuó el análisis del agua residual tratada con el coagulante natural.

Laura Gema Mendoza Cedeño [e-mail]. Colaboró en los análisis estadísticos de la investigación, mediante la aplicación del programa Statgraphics. Participó en la búsqueda de información y redacción del trabajo.

José Gerardo Cedeño Zambrano. [e-mail]. Participó en la revisión final del trabajo, estableciendo observaciones y recomendaciones previo a la presentación final del trabajo.