Artículo original

Calidad del agua y tasa de filtración obtenidos con el filtro doméstico de arcilla “tradiFILTRO”

Water quality and filtration rate obtained with household clay filter “tradiFILTRO”

Sarah Barreto-Torrella^{1  *} 
http://orcid.org/0000-0002-2471-7263

Raúl Pérez-Marín² 
http://orcid.org/0000-0001-8592-0495

Yamila Recio-Rodríguez
http://orcid.org/0000-0001-7599-2639

¹Departamento de Ingeniería Química de la Universidad “Ignacio Agramonte Loynaz”, Camagüey, Cuba

² UEB Torrefactora de Café, Ciego de Ávila, Cuba

³ Centro Integrado de Tecnologías del Agua (CITA), Camagüey, Cuba

RESUMEN

Con el objetivo de evaluar el funcionamiento del filtro de arcilla doméstico tradiFILTRO, en condiciones de campo, se procesaron estadísticamente datos de muestras de agua de tasa de filtración de las unidades filtrantes, tomados en el Centro Integrado de Tecnologías del Agua (CITA), en el proceso de evaluación de la calidad de los filtros. Se encontraron concentraciones de nitratos, nitritos, coliformes totales y Escherichia coli en el agua cruda, superiores a las requeridas para fuentes de agua potable. La remoción de la turbidez fue de 97 a 100%, la reducción log₁₀ de coliformes totales y E.coli fueron de 3,26 y 2,72, respectivamente. La tasa de filtración se encontró en el rango de 1,65 - 3 L/h (x ̅ = 1,7 L / h). Se constató un incremento del pH y de los carbonatos, lo cual no pone en riesgo la salud de los consumidores.

Palabras clave: agua potable; filtro doméstico de arcilla; tasa de filtración

ABSTRACT

To evaluate household clay filter tradiFILTRO performance, under field conditions, samples of water processed by National Enterprise of Analysis and Technical Services of physico chemical characteristic were statistically processed, as well as filtration rate data taken by Integrated Center of Water Technologies in evaluation process of filters quality. Concentrations of nitrates, nitrites, total coliforms and Escherichia coli were foundin raw water, higher than those required for drinking water sources. The removal of turbidity was 97 - 100%, the log₁₀ reduction of total coliforms and E. coli were 3,26 and 2,72 respectively. The filtration rate was found in the range of 1,65 - 3 L / h (x ̅ = 1,7 L / h). An increase in pH and carbonates was found, which does not put the health of consumers at risk.

Keywords: drinking water; household clay filter; filtration rate

Introducción

En el mundo 1100 millones de personas carecen de instalaciones necesarias para abastecerse de agua y 2400 millones no tienen acceso a sistemas de saneamiento; ¹ la cobertura de agua potable es desigual entre países desarrollados y en vías de desarrollo y entre las zonas urbanas y rurales. En Cuba, en 2010 el 92,7% de la población tenía acceso a agua potable (98,3% del área urbana y 75,7% de la rural), con conexión domiciliaria 75,2% (87,6 y 37, 7% de las áreas urbana y rural, respectivamente), con fácil acceso 12,1%, ² el 79% de la población obtiene un suministro intermitente. ³ Gran cantidad de enfermedades son de transmisión hídrica, las más frecuentes son las enfermedades diarreicas agudas (EDA), en el mundo se afectan y mueren anualmente muchas personas por éstas, en el año 2000, la tasa de mortalidad estimada por diarreas relacionadas con la falta de sistemas de saneamiento o de higiene y por otras enfermedades relacionadas con el saneamiento del agua (esquistosomiasis, tracoma, infecciones intestinales por helmintos) fue de 2 213 000 personas. ¹

En la ciudad de Camagüey el por ciento del consumo de agua, no potabilizada, por la población, es superior al 5 %. Un 98,8 % de la población tiene un servicio de abastecimiento discontinuo.

La población recurre a distintos tratamientos domésticos en comunidades urbanas de Habana Vieja (Cuba) en el 57,6% de las viviendas estudiadas el agua es tratada en el hogar, 34,6% la hierven, 6,2% la filtran y 1,2% la cloran. ⁴

Los filtros cerámicos impregnados con plata coloidal, han demostrado que se ajustan a los requisitos de potabilización de agua y a las posibilidades económicas de la población más necesitada. Se ha comprobado su efectividad en Nicaragua, Guatemala, Honduras, Camboya, Vietnam, Indonesia y otros países, durante más de 10 años, en los períodos que se han investigado e implementado ⁵⁾ se estima que existen 35 fábricas de filtros en 18 países cuyas producciones exceden los 40 mil filtros al mes ⁶⁾ algunos modelos con más aceptación que otros. ^7). Su bajo costo, fácil fabricación, y eficacia en la potabilización muestran su viabilidad para su uso en las zonas rurales que no cuentan con un sistema convencional de tratamiento de agua potable. ^6,8 Se elaboran a partir de una mezcla de aserrín y arcilla, el primero es el material formador de poros; ^9,6 se recubren internamente con plata coloidal, que tiene una acción bactericida. ⁶ Se fabrican por lotes y son sometidos, como prueba de calidad, a la determinación de su tasa de filtración. En la actualidad, son muy variables las tasas de filtración que se obtienen y los distintos parámetros de calidad, aspectos estos que se desean mejorar. Se afirma que los procesos en la manufactura de los filtros son inestables entre distintas fábricas y dentro de ellas mismas ⁶, por lo que los parámetros de calidad del agua varían de uno a otro filtro, encontrándose un rango para la remoción de E. coli entre 0,9 - 6,8 valor logarítmico de reducción. ¹⁰

El Centro Integrado de Tecnologías del Agua desarrolla desde el 2000 la producción de un filtro, al que ha llamado tradiFILTRO, cuya tecnología de fabricación es artesanal; distintas comunidades de Camagüey se han beneficiado con él, también familias campesinas y pobladores de zonas de La Habana, Holguín, Santiago de Cuba y Villa Clara. ¹¹

En este trabajo se evalúa el desempeño del tradiFiltro a partir de la calidad del agua y de la tasa de filtración. Se procesaron datos de valoraciones del contenido del agua, obtenidos por el laboratorio de la Empresa Nacional de Análisis y Servicios Técnicos (ENAST), y la tasa de filtración disponibles en el Centro Integrado de Tecnologías del agua (CITA) y en filtros seleccionados al azar en condiciones de campo; se determinaron valores promedios, y las variaciones en las características del agua por efecto del tratamiento en el filtro. También se comprobó la potabilidad del agua por el cumplimiento de la norma. ¹² Esta valoración es importante, para una mayor garantía de la calidad del agua y como punto de partida, para buscar y lograr una mayor uniformidad y calidad del filtro.

Métodos utilizados y condiciones experimentales

Se tomaron datos de análisis físico químicos, de calidad bacteriológica y tasa de filtración del agua, realizados por la ENAST ¹³⁾ y el CITA, respectivamente, los primeros son efectuados para control de su desempeño en condiciones de campo y los segundos para el control de la calidad de los mismos y el descarte de los que superen la tasa de 3 L/h y se determinó la media, y la desviación estándar, empleando el paquete STATGRAPHICS XVI.II ¹⁴⁾ para su procesamiento estadístico. El efecto de remoción de las bacterias fue calculado según Mwabi y Mamba. ⁸

Las características analizadas fueron: sólidos disueltos totales, conductividad eléctrica, pH, carbonato, cloruro, sulfato, calcio, magnesio, sodio, potasio, sólidos suspendidos totales, amonio, nitritos, nitratos, turbidez, coliformes totales y Escherichia coli (número más probable NMP/100 mL).

Resultados y su discusión

Las unidades filtrantes consisten en una vasija de barro, en forma de cono truncado (ver figura 1), que se coloca en otra contenedora, con tapa y dotada de una válvula; se vierte el agua a tratar en el recipiente de arcilla y se acumula el agua tratada en la segunda, de donde se extrae mediante una válvula. Tiene capacidad para 9,6 litros de agua tratada.

La tecnología común para la fabricación de los filtros de cerámica consiste en el pulverizado y tamizado de la materia prima, el mezclado seco y húmedo, el moldeado, el secado, la cocción y el enfriamiento e impregnación con plata coloidal, aunque no siempre se realiza esto último. Se hacen controles de la tasa de filtración y de las características físico químicas y sanitarias del agua para su comercialización con una garantía de calidad.

La arcilla empleada para la fabricación del tradiFILTRO proviene del préstamo conocido como “Santa Teresa”, cuyo contenido, en %, es: SiO₂ (50 - 60), Al₂O₃ (14,5 -17), Fe₂O₃ (7,5-9,5), CaO (1,28-11,82), MgO (2-4), Na₂O< 3, K₂O < 3, SO₃ < 0,2¹⁵.

Fig.1- Filtro de agua tradiFILTRO, con estructura de arcilla porosa 

Valoración de las tasas de filtración de los filtros evaluados

Según el análisis de frecuencia realizado, los filtros de cerámica, producidos bajo las condiciones actuales, ofrecen una tasa de filtración, en el rango de 1,65 - 3 L/h, el 64,07% está entre 1,4 y 2,8 (ver figura 2). Se obtuvo una tasa de filtración promedio de 2,71 L∙ h −1 , con un valor mínimo de 1,4 y un máximo de 6,7 (ver tabla 1), la dispersión de estos resultados indica la necesidad de identificar las causas para poder lograr que los filtros producidos tengan tasas menores, entre 1 - 2,5 L/h, como señalan ⁶y preferiblemente, 1,7 L/h ⁵o lo más cercanamente posible a ese valor, debido a que esos autores demostraron que esto permite, en condiciones de explotación domésticas, obtener una calidad del líquido que cumple con los requisitos de agua potable, para lo cual recomiendan usar una proporción de arcilla : aserrín de 1,5 :1.

Tabla 1.  Resumen de estadísticos para la tasa de filtración (L/ h) 

N: es el número de muestras; 𝑥 : es el valor promedio de parámetros determinados; S: Desviación estándar; Min: Valores mínimos; Máx: Valores máximos.

Fig. 2 Gráfico de frecuencias para las tasas de filtración 

Las altas tasas de filtración están relacionadas con un mayor tamaño de poros y estos, a su vez, con las características de la arcilla y la proporción de materiales quemantes, respecto a dicho material. Otro factor que influye en la tasa de filtración es el mezclado de las materias primas que se emplean en la construcción del filtro. ⁵

Reducción de coliformes totales y Escherichia coli por acción del filtro

La reducción de bacterias coliformes totales y Escherichia coli en unidades logarítmicas fue, como promedio, 3,26 (E = 96%) y 2,71 (E = 93%) respectivamente (ver tabla 2), encontrándose en con mayor frecuencia en los rangos (3,2 - 5,0) y (2,4 - 4,5) correspondientemente, siendo este un resultado que pudiera mejorarse tomando como referencia los valores de 0,9 - 6,8 obtenidos por algunos autores¹⁰⁾ y de 2 a 6 por otros. ¹⁶

Tabla 2.  Reducción de la contaminación bacteriológica por acción del filtro de arcilla tradiFiltro 

Un análisis de varianza simple demostró que existen diferencias significativas entre los distintos filtros con respecto a la disminución de coliformes totales, sin embargo, no ocurre lo mismo respecto a Escherichia coli, la fecha de muestreo tiene un efecto estadísticamente significativo sobre la reducción de ambos indicadores con un 95,0% de nivel de confianza (ver tabla 3).

Tabla 3 Análisis de varianza para la reducción de coliformes por filtros y fecha de muestreo 

Hay que destacar que las muestras provienen de diversos orígenes, fundamentalmente pozos, que constituyen fuente de abastecimiento de agua de viviendas que, en su mayoría, están contaminados (ver figura 3), todos mostraron niveles altos de coliformes totales y Escherichia coli, superiores a 100 NMP/100 mL, es decir, superiores a lo que rige la norma ¹⁷ (ver figura3). Se encontraron valores de coliformes totales, en el agua sin tratar, de hasta 1,6. 10⁶ expresados en NMP⁄100 mL, esto condujo a que sólo el 52 % del agua tratada, cumpliera con los parámetros de agua potable, ¹² lo cual impone que sea una premisa que la calidad de las fuentes cumpla con la norma establecida. ¹⁷

Otros autores han encontraron también contaminación bacteriológica en fuentes domésticas de agua tratadas en este tipo de filtro. ¹⁸ Se han registrado en 71,46% de las muestras de agua tratada valores inferiores a 10 unidades formadoras de colonias UFC/100 mL, catalogan a dichas aguas de bajo riesgo, ⁶ según una clasificación de la Organización Mundial de la Salud (OMS), aunque reconocen que las aguas potables deben tener cero. Los autores relacionan la remoción bacteriana en los filtros de arcilla impregnados con plata con dos vías, su retención mecánica, debido a su tamaño y por la acción desinfectante de la plata, afirman que un incremento de la porosidad, en este caso, favorece la remoción de bacterias E. coli. Llaman la atención respecto a la contaminación bacteriana que pueda existir en el sistema por déficit de higiene, por ejemplo al usar una vasija contaminada para verter agua en el filtro, también a las tasas de filtración superiores a 2,5 L/h, las cuales pueden ser producto de micro rajaduras en los filtros ¹⁹y pueden provocar la salida indeseable de microorganismos; además a la formación de biopelículas en el recipiente donde se almacena el agua y al uso de aguas contaminadas para la limpieza.

La presencia de contaminación no es excepción para aguas tratadas en el hogar, ²⁰⁾ reportan presencia de coliformes totales y de quistes de Cryptosporidium y Giardia en el agua tratada centralizadamente, no encontraron presencia de cloro libre residual en algunas muestras; por su parte algunos autores, ⁴⁾ hallaron coliformes termotolerantes que exceden la norma en el 51,8 % de las muestras y en el 66 % de las viviendas valores de cloro residual inferiores a la normativa.

Fig. 3 Contenido de Escherichia coli, en el agua de las fuentes sin tratar (entrada a los filtros) 

Comportamiento de los indicadores físico químicos a la entrada y a la salida de los filtros y su variación

El contenido de amonio fue cero en todos los casos. Se comprobó que de los 12 pozos evaluados 7 tenían una concentración de nitratos superior a 45 mg/L de su agua sin tratar. En las tablas 4 y 5 se pueden apreciar los incumplimientos con las normas mencionadas, además de los parámetros mencionados, es elevada también la concentración de nitritos del agua sin tratar. Los incumplimientos de la calidad del agua de las fuentes, en contenidos de nitratos, nitritos y bacteriano ponen en peligro la salud de las personas que la consumen; los nitratos y nitritos ponen en riesgo mortal a lactantes menores de 6 meses, debido a que se puede presentar metahemoglobinemia. Por tanto, la solución doméstica de la calidad del agua pasa por el control de las fuentes empleadas por la población y su educación sanitaria.

Tabla 4 Número de muestras del agua tratada, por filtros, que incumplen con niveles de parámetros físico químicos establecidos en la norma 

Los usuarios prefieren mayores tasas para obtener más producto en menos tiempo, pero las recomentadas, de 1,7 como promedio y 2,5 L/h como máximo permiten obtener en 12 h, 10 y 15 L/d de agua tratada respectivamente, suficiente para garantizar agua para beber a 10 y 15 personas en cada caso, por lo que no se justifica un incremento de la tasa en detrimento de la salud.

La turbidez disminuye en 100% para los filtros cuando se les hace control de la calidad con el agua del centro que los produce, los resultados para los pozos evaluados se ofrecen en la tabla 6, la eficiencia promedio es de 84 %, la mínima de 75 % y la máxima de 100 %, ²¹⁾ reportaron remociones de 64 a 98%, por lo que puede asegurarse que los resultados de tadiFILTRO respecto al parámetro mencionado son muy buenos. Las aguas no tenían color y eso no varió. Las características físico químicas del agua, cruda (entrada) y tratada (salida), de siete pozos se muestran en la tabla 5; luego de comprobar la normalidad de la distribución de los datos se procedió a determinar, mediante el procedimiento de diferencia mínima significativa, en cuál de los parámetros la diferencia entre los de la entrada y la salida de los filtros resultaba significativa, lo que, como se muestra en la tabla 7 sólo ocurre con el pH y la concentración de carbonatos. El pH no incide directamente en la salud, ²²⁾ sino en las características incrustantes o corrosivas del agua. ³

Se le ha atribuido el incremento de algunos aniones a la lixiviación de estos a partir del material del filtro. ²¹,²³⁾ aseguran que el movimiento de los iones a través del suelo arcilloso es controlado por sus gradientes electroquímicos.

Se sabe que la proporción cuantitativa entre CO₂, [H₂CO₃], [HCO₃ ^-] y [CO₃ ^2-] está relacionada con el pH del agua, ^{24), (25), (26} en este caso, como se dijo, los carbonatos aumentan.

La conductividad eléctrica por debajo de los 700 μS/cm no afecta la salud, pero es un indicador del contenido de sales disueltas en el agua, ²¹ de todas formas, debe cuidarse, al usar este filtro, no tratar aguas con una conductividad eléctrica cercana a 1500 μS/cm para no superar el contenido de sólidos disueltos totales que se exige, pues ²⁷asegura que las corrientes que corren a través de áreas con suelos arcillosos tienden a tener alta conductividad debido a la presencia de materiales que se ionizan al ser lavados en el agua. El contenido de sólidos disueltos totales en ningún caso superó el límite máximo fijado por la norma, ¹² tampoco la dureza total.

Tabla 5 Características físico químicas de aguas, en mg/L, a la entrada (E) y salida (S) de siete filtros 

Tabla 6 Efecto de remoción de la turbidez por filtro (%). 

CE: Conductividad eléctrica.

SDT: Sólidos disueltos totales.

E, %: Efecto de remoción.

Tabla 7 Parámetros de calidad del agua con incremento significativo 

Conclusiones

Los filtros evaluados en condiciones de campo “tradiFILTRO” producidos por el Centro Integrado de Tecnologías del Agua garantizan la reducción de la turbidez con una eficiencia de 97 a 100% y la reducción de coliformes totales y Escherichia coli en unidades logarítmicas de 3,26 y 2,71 respectivamente, con lo que puede garantizarse agua potable siempre que la que se trate cumpla los requisitos de la norma. ¹⁷⁾ La tasa de filtración de las unidades filtrantes estudiadas es variable, el valor promedio es de 2,71 L/h.

La calidad del agua obtenida por unidad filtrante es muy variable, sin embargo las variaciones de pH y de E. coli en el tratamiento no varía de uno a otro filtro, la fecha de muestreo tiene un efecto estadísticamente significativo sobre la reducción de coliformes totales y E. coli. Existe un incremento significativo del pH y de los carbonatos en el agua tratada.

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Recibido: 19 de Noviembre de 2019; Aprobado: 20 de Marzo de 2020

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

Los autores declaran que no existen conflictos de intereses.

Dra.C. Sarah Barreto-Torrella: Diseñó la investigación, gestionó bibliografía, evaluó los resultados y trabajó en la redacción del artículo.

Ing. Raúl Pérez-Marín: Elaboró las bases de datos de las características del agua, procesó estadísticamente la información, analizó los resultados obtenidos. Trabajó en la redacción del artículo.

MSc. Yamila Recio-Rodríguez: Gestionó la evaluación de las características del agua con el laboratorio de la ENAST y los de la tasa de filtración con el CITA.