ISSN 2477-9105
Número 26 Vol.1 (2021)
83
Los habitantes del poblado de Salache, Cotopaxi-Ecuador, consumen agua de fuentes subterráneas.
Con la finalidad de conocer la calidad del agua se realizó pruebas de laboratorio determinándose
que el agua contiene 450 mg L
-1
de sulfatos, así como 520 y 583 mg CaCO
3
L
-1
de alcalinidad y dureza
respectivamente. La norma ecuatoriana indica que los sulfatos deben encontrarse en 200 mg L
-1
, y que
la alcalinidad al igual que la dureza no deben sobrepasar los 500 mg CaCO
3
L
-1
. Mediante pruebas
experimentales de filtración descendente se comprobó la efectividad individual de los materiales
filtrantes arena, zeolita y resina catiónica de ácido fuerte, en la remoción de las concentraciones de
sulfatos y carbonato de calcio. La filtración en lecho de arena redujo las concentraciones de alcalinidad
a 340 mg CaCO
3
L
-1
, dureza a 225 mg CaCO
3
L
-1
y sulfatos a 315 mg L
-1
. El lecho de zeolita, redujo la
alcalinidad a 280 mg CaCO
3
L
-1
, dureza a 257 mg CaCO
3
L
-1
y sulfatos a 320 mg L
-1
. La resina catiónica
de ácido fuerte tuvo mayor efectividad reduciendo la alcalinidad a 198 mg CaCO
3
L
-1
, la dureza a 180
mg CaCO
3
L
-1
y sulfatos a 120 mg L
-1
.
Palabras claves: Filtro descendente, Captación, Intercambio iónico, Adsorción.
The inhabitants of the town of Salache, Cotopaxi-Ecuador consume water from underground
sources. In order to know the quality of the water, laboratory tests were carried out, determining
that the water contains 450 mg L
-1
of sulfates, as well as 520 and 583 mg CaCO
3
L
-1
of alkalinity and
hardness, respectively. The Ecuadorian standard indicates that sulfates must be at 200 mg L
-1
, and
that alkalinity as well as hardness must not exceed 500 mg CaCO
3
L
-1
. Through experimental tests
of downward filtration, the individual effectiveness of the filter materials sand, zeolite and strong
acid cationic resin, in removing the concentrations of sulfates and calcium carbonate, was verified.
The sand filtration results allowed the removal of alkalinity concentrations to 340 mg of CaCO
3
L
-1
,
hardness to 225 mg of CaCO
3
L
-1
and sulfates to 315 mg L
-1
. The zeolite bed reduced alkalinity to 280
mg of CaCO
3
L
-1
, hardness to 257 mg of CaCO
3
L
-1
and sulfates to 320 mg L
-1
. The strong acid cationic
resin was more effective in reducing alkalinity to 198 mg of CaCO
3
L
-1
, hardness to 180 mg of CaCO
3
L
-1
and sulfates to 120 mg L
-1
.
Keywords: Downward filter, Capture, Ion exchange, Adsorption.
Fecha de recepción: 28-06-2021 Fecha de aceptación: 03-09-2021 Fecha de publicación: 13-10-2021
R
esumen
A
bstract
EFECTIVIDAD DE LOS LECHOS FILTRANTES EN LA REDUCCIÓN DE
SULFATOS Y CARBONATO DE CALCIO EN EL AGUA DE CONSUMO
HUMANO.
Eectiveness of lter beds in the reduction of sulphates and calcium carbonate in water for
human consumption.
1,3
Marco Pino-Vallejo* ,
1
Franklin Vásconez Basantes ,
1
Martha Pazmiño Montero ,
2
Patricia
Andrade Orozco
.
1
Universidad de las Fuerzas Armadas, Departamento Ciencias de la Tierra y de la Construcción,
Sangolquí, Ecuador.
2
Universidad Nacional de Chimborazo, Ingeniería Ambiental, Riobamba, Ecuador.
3
Instituto Superior Tecnológico República Federal de Alemania, Desarrollo Ambiental, Riobamba,
Ecuador.
*marcopinovallejo@hotmail.com
DOI: 10.47187/perf.v1i26.139
84
I. INTRODUCCIÓN
El agua de consumo humano deber ser abaste-
cida a la población de manera suficiente, segu-
ra y accesible (1). La Organización Mundial de
la Salud, asegura que alrededor de 1.2 billones
de personas no tienen acceso al agua potable (2).
Existen sitios con disponibilidad de agua pero
con indicios de contaminación que puede provo-
car enfermedades al ser consumida (3). En varios
países de América Latina y el Caribe, las enfer-
medades ocasionadas por el consumo de agua
no potabilizada se encuentran entre las diez cau-
sas más frecuentes de mortalidad (4). Para que
el agua pueda ser consumida debe ser sujeta a
procesos de tratamiento para su potabilización,
como la captación, canalización, floculación, de-
cantación, filtración, cloración o desinfección,
alcalinización y distribución con el fin de lograr
que sus características físicas y químicas cum-
plan con las normativas estipuladas (5,6).
El Gobierno del Ecuador tiene como meta lograr
que la población logre el acceso universal y equi-
tativo al agua potable para el año 2030, siendo
éste uno de los Objetivos de Desarrollo Sustenta-
ble de las Naciones Unidas (7). Las cifras estadís-
ticas según la medición de indicadores de Agua,
Saneamiento e Higiene (ASH) realizadas por el
Instituto Nacional de Estadística indican que en
el Ecuador el 67.80 % de los ecuatorianos tienen
acceso al agua por medio de tubería, pozo, ma-
nantial protegido o agua embotellada (8).
En el poblado de Salache, cantón Latacunga, pro-
vincia de Cotopaxi, el agua que se suministra a
sus 3250 habitantes es obtenida de tres fuentes
subterráneas ubicadas en el sector denominado
San Agustín. Al igual que el agua superficial, la
composición química del agua del subsuelo es
muy variable, esto dependerá de la localización y
de la profundidad del acuífero (9). El caudal que
proveen los pozos (8.01 L s
-1
), es conducido me-
diante tuberías a un tanque de almacenamiento
para luego ser distribuida a la población.
La composición química del agua subterránea es
el resultado de continuos procesos de interacción
entre el agua de precipitación que se infiltra en el
terreno y la litología por donde circula (10). Con
la finalidad de conocer la calidad del agua se rea-
lizó pruebas de laboratorio determinándose que
el agua contiene 450 mg L
-1
de sulfatos, así como
520 y 583 mg CaCO
3
L
-1
de alcalinidad y dure-
za respectivamente. Según la norma ecuatoriana
NTE INEN 1108 para agua de consumo domésti-
co, los sulfatos deben encontrarse en concentra-
ciones no mayores a 200 mg L
-1
y la alcalinidad al
igual que la dureza no deben tener concentracio-
nes mayores a 500 mg CaCO
3
L
-1
(11).
El consumo de agua con una concentración sul-
fato de sodio y sulfato de magnesio en el orden de
más de 100 mg L
-1
tiene en el ser humano un efec-
to laxante y en concentraciones superiores a los
200 mg L
-1
favorece a la corrosión de los metales
(12). El carbonato de calcio en concentraciones
mayores a los 500 mg CaCO
3
L
-1
puede producir
asperezas en la piel, cálculos renales, aumentar
la incidencia de ataques cardíacos, anomalías del
sistema nervioso y varios tipos de cáncer (13).
La investigación tiene por objetivo comprobar la
efectividad de los lechos filtrantes de arena, zeo-
lita y resina catiónica ácido fuerte en la remoción
de las concentraciones de sulfatos y carbonato de
calcio.
II. MATERIALES Y MÉTODOS
La investigación se realizó en Salache, Coto-
paxi-Ecuador (0983333 E; 786167 S). Para de-
terminar la efectividad individual de los lechos
filtrantes (arena, zeolita y resina catiónica) en la
remoción de las concentraciones de carbonato de
calcio y sulfatos disueltos en el agua, se constru-
yó un filtro experimental de flujo descendente.
Este tipo de filtro trabaja a gravedad permitien-
do que el agua atraviese el lecho filtrante pudien-
do generar cavidades que se llenan y unen entre
sí, formado conductos de un tamaño mayor al de
los poros circundantes en los cuales se deposita
el material en suspensión, pudiendo incrementar
su tamaño hasta atravesar todo el lecho filtrante
(14).
2.1. Conformación del filtro descendente
Para la construcción del filtro descendente, se
utilizó un tubo de PVC de 200 mm de diámetro
interno y 2 m de largo. En un extremo superior,
se instaló el regulador de caudal y en el inferior,
se incorporó el sistema de drenaje, compuesto de
un obturador de PVC al que se le realizaron 22
orificios de 10 mm de diámetro y se acopló una
malla plástica de 1/16” con el objetivo de retener
85
b) Medios filtrantes: Son materiales granulares
con dimensiones moleculares que les permite
captar los sólidos presentes en el agua por proce-
sos de absorción o intercambio iónico. Para que
sea eficaz la filtración, se requiere que los sólidos
puedan penetrar profundamente dentro del le-
cho filtrante y no bloquearlo en la superficie (16).
A continuación se describen los materiales utili-
zados como medios filtrantes:
- Arena: Compuesto por sílice generalmente en
forma de cuarzo su diámetro de partícula va
desde 0.10 a 3 mm. Este tipo de material tiene la
capacidad de captar dentro de su estructura po-
rosa sólidos suspendidos, compuestos orgánicos
e inorgánicos, virus y bacterias (17). Para la expe-
rimentación en el filtro descendente se colocaron
0.16 m
3
de arena de río lavada de ~ 0.425 mm,
Tamiz No. 40, con una altura de cama de 0.80 m.
- Zeolita: Son aluminosilicatos de metales alca-
linos o alcalinotérreos predominantemente de
sodio y calcio (18). Las zeolitas son formadas
por canales y cavidades regulares y uniformes de
dimensiones moleculares de 3 a 13 nm con una
estructura microporosa que tiene una fuerza de
cohesión compensada que es la responsable de
las propiedades de adsorción de los sólidos (19).
Para la experimentación en el filtro descenden-
te se utilizaron 0.16 m
3
de zeolita (Clinoptilolita)
con un tamaño de partícula de ~3 nm, Tamiz N°.
6, con una altura de cama de 0.80 m.
- Resinas catiónicas de poli estireno: Se caracte-
rizan por intercambiar iones positivos (catio-
nes), funcionan en soluciones con cualquier pH
y se destina a aplicaciones de suavizado de agua,
como primera columna de des ionización en los
des mineralizadores o para lechos mixtos (20).
Las resinas tienen una morfología corrugada de-
finida de tipo esférica y de acuerdo a su compo-
sición permiten intercambiar los iones indesea-
bles que se encuentran disueltos en el agua por
iones deseables que están presentes en la resina
(21,22,23). Las resinas catiónicas de poli estireno
se clasifican en: a) Resinas catiónicas ácido fuer-
te, b) Resinas catiónicas ácido débil, c) Resinas
aniónicas base fuerte y, d) Resinas aniónicas base
débil (24). Considerando los parámetros físico-
químicos del agua de Salache se utilizó en el fil-
tro descendente 0.16 m3 de resina catiónica de
poli estireno de tipo ácido fuerte de < 0.315 mm,
Tamiz N° 45, con una altura de cama de 0.80 m.
la capa de soporte y el material del lecho filtran-
te. Para recolectar el agua filtrada el equipo se
colocó sobre un recipiente con capacidad de 5 L,
como se ilustra en la Figura 1.
Figura 1. Estructura del ltro descendente
2.2. Configuración de los medios granulares
Los ensayos de tamizado para establecer el ta-
maño de partícula de los materiales: a) capa de
soporte; y b) medios filtrantes, se realizaron en el
Laboratorio de Procesos Industriales de la Facul-
tad de Ciencias de la Escuela Superior Politécnica
de Chimborazo.
a) Capa de soporte: Es una capa de material pé-
treo granular grueso cuya función es evitar que
el material filtrante pase a través de los drenajes
del filtro (15). En el filtro experimental se utili-
zó piedra de ¾” con un volumen de 0.05 m
3
, con
una altura de cama de 0.025 m.
Pino-Vallejo, Vásconez, Pazmiño, Andrade
86
2.3. Proceso de filtración
Es el paso de un fluido a través de un medio po-
roso el mismo que retiene la materia que se en-
cuentra en suspensión (25). El proceso de filtra-
ción se realizó in situ, el agua cruda se recolectó
directamente del tanque de almacenamiento de
la comunidad de Salache.
Tiempo de Retención hidráulica (TRH): Es un
proceso continuo, considerado como el tiempo
en el que un fluido permanece en un espacio, se
define como el cociente entre volumen total del
fluido (V) en litros y el caudal a tratar (Q) en L
min
-1
, se calcula con la ecuación (26).
(1)
Se ingresó al filtro un flujo constante de 0.67 L
min
-1
de agua cruda, manteniendo un sobrena-
dante de 10 L. Previo al proceso experimental,
se pasaron 20 litros de agua cruda por cada le-
cho filtrante. El tiempo de retención hidráulica
durante el procedimiento tuvo un promedio de
20 minutos en cada lecho filtrante, en base a este
tiempo se tomaron 5 muestras identificándolas
como M1, M2, M3, M4 y M5.
2.4. Efectividad del proceso de filtración
Para determinar el porcentaje de remoción de las
concentraciones de carbonato de calcio y sulfa-
tos, posterior a la filtración se utilizó la ecuación
(27):
(2)
Donde: VPi = Valor de Parámetro inicial y VPf =
Valor del Parámetro final (VPf).
El análisis físico-químico de las muestras se rea-
lizó en el Laboratorio de Análisis Técnico de la
Junta Administradora de Agua Potable y Alcan-
tarillado - Regional Yanahurco. Para la Alcalini-
dad se utilizó el método de titulación (2340-B),
para la Dureza el método titulométrico de EDTA
(2340-C) y para los Sulfatos el método Turbidi-
métrico (4500-SO
4
2
E).
III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Se presentan los resultados de los análisis físi-
co-químicos del agua filtrada en de cada medio
filtrante. Las concentraciones de las muestras se
encuentran en función del tiempo de retención
hidráulica y la eficiencia de los materiales filtran-
tes en porcentajes de remoción.
Alcalinidad: Entre los iones alcalinotérreos los
más comunes en las aguas naturales son el Ca
2+
y
el Mg
2+
, que se originan debido a los procesos de
disolución de minerales calcáreos, como la calci-
ta CaCO
3
o la dolomita MgCa(CO
3
)
2
(28). El agua
que consumen los pobladores de la comunidad
de Salache tiene 520 mg L
-1
de CaCO
3
. El límite
máximo permisible según la norma ecuatoriana
NTE INEN 1108 para agua de consumo domés-
tico es de 500 mg L
-1
de CaCO
3
.
Figura 2. Tiempo de retención hidráulica y concentración de alcalinidad.
En la Figura 2, se tiene la representación de los
resultados de laboratorio del agua filtrada, en
donde se puede apreciar que la resina catiónica
ácido fuerte es el medio filtrante que tiene mayor
afinidad con el carbonato de calcio reduciendo
por intercambio iónico la concentración de alca-
linidad a 198 mg L
-1
. El proceso zeolítico adsorbe
el carbonato de calcio y lo estabiliza en 280 mg
L
-1
mientras que el lecho de arena, es el medio fil-
trante con menor capacidad de captación del mi-
neral, regulando la concentración en 340 mg L
-1
.
Lecho
Filtrante
Alcalinidad en mg L
-1
de CaCO
3
VPi VPf % Remoción
Arena 520 340 35
Zeolita 520 280 46
Resina Catiónica ácido fuerte 520 198 62
Tabla 1. Efectividad del proceso de ltración en la remoción de alcalinidad
En la Tabla 1, se exponen los resultados de la
efectividad del proceso de filtración, concluyen-
do que los materiales utilizados reducen a niveles
permisibles la alcalinidad del agua. La resina ca-
tiónica de ácido fuerte alcanza el 62% de remo-
ción de carbonato de calcio, seguido de la zeolita
87
y la arena con 46% y 35% respectivamente.
Dureza: Se considera agua dura aquella que con-
tiene minerales, sobre todo carbonatos de calcio
CaCO
3
y carbonatos de magnesio MgCO
3
y bi-
carbonatos de calcio Ca(HCO
3
)
2
y bicarbonatos
de magnesio Mg(HCO
3
)
2
(29). El agua que consu-
men los pobladores de la comunidad de Salache
contiene 583 mg L
-1
de CaCO
3
, este valor la clasi-
fica como agua muy dura. El límite máximo per-
misible según la norma ecuatoriana NTE INEN
1108 para agua de consumo doméstico es de 500
mg L
-1
de CaCO
3
.
Figura 3. Tiempo de retención hidráulica y concentración de dureza.
En la Figura 3, se ilustran los datos de labora-
torio de las muestras filtradas, comprobándose
que el intercambio iónico de la resina estabiliza
la dureza del agua a 180 mg L
-1
. El medio poroso
de la arena es apropiado para ablandar el agua
reduciendo su concentración a 225 mg L
-1
. Con
menor funcionalidad se encuentra el proceso
zeolítico, fijando la concentración de carbonado
de calcio en 257 mg L
-1
.
Lecho
Filtrante
Dureza en mg L
-1
de CaCO
3
VPi VPf % Remoción
Arena 583 225 61
Zeolita 583 257 56
Resina Catiónica ácido fuerte 583 180 69
Tabla 2. Efectividad del proceso de ltración en la remoción de dureza.
En la Tabla 2, los resultados revelan que los tres
lechos filtrantes reducen a niveles permisibles
las concentraciones de dureza. Se considera a la
resina catiónica ácido fuerte como un material
efectivo para tratar concentraciones elevadas de
dureza con un 69% de remoción.
Sulfatos: El ión sulfato, SO4
2-
, se encuentran en
el agua subterránea cuando está atraviesa por
menas de sulfato o de esquistos, corresponden
a sales moderadamente solubles a muy solubles
(30). El agua que consumen los pobladores de la
comunidad de Salache contiene 450 mg L
-1
. El
límite máximo permisible según la norma ecua-
toriana NTE INEN 1108 para agua de consumo
doméstico es de 200 mg L
-1
.
Figura 4. Tiempo de retención hidráulica y concentración sulfatos.
En la Figura 4, se observan los resultados del
agua filtrada, verificándose una elevada afinidad
de retención de sulfatos en el lecho de resina ca-
tiónica, reduciendo su concentración a 120 mg
L
-1
. La filtración del agua en medio poroso de
arena y el proceso zeolítico no logran estabilizar
la concentración de sulfatos.
Lecho
Filtrante
Sulfatos en mg L-1
VPi VPf % Remoción
Arena 450 315 30
Zeolita 450 320 29
Resina Catiónica ácido fuerte 450 120 73
Tabla 3. Efectividad del proceso de ltración en la remoción de dureza.
A partir de los resultados expuestos en la Tabla 3,
se concluye que los tres lechos filtrantes reducen
las concentraciones de sulfatos, sin embargo las
concentraciones de las muestras de agua obteni-
da de los lechos de arena y de zeolita no cumplen
con los límites permisibles. La resina catiónica
ácido fuerte tiene una remoción del 73% de sulfa-
tos, cumpliendo con la concentración permisible
por la norma ecuatoriana.
IV. CONCLUSIONES
El agua que se suministra a la población de Sala-
che, se clasifica como muy dura debido a su alta
concentración de carbonato de calcio.
Pino-Vallejo, Vásconez, Pazmiño, Andrade
88
La filtración en lecho de arena redujo las concen-
traciones de carbonato de calcio a niveles permi-
sibles, excepto la concentración de sulfatos.
El proceso de filtración en lecho de zeolita, fija
las concentraciones de carbonato de calcio a ni-
veles aptos para el consumo humano, pero no es
funcional en la remoción de sulfatos.
La filtración en lecho de resina catiónica ácido
fuerte presenta mayor efectividad en la remoción
de las concentraciones de carbonato de calcio y
sulfatos, cumpliendo con los valores que estable-
ce la norma haciendo NTE INEN 1108 para agua
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