Escuela Agrícola Panamericana, Zamorano Departamento de Ambiente y Desarrollo Ingeniería en Ambiente y Desarrollo Proyecto Especial de Graduación Validación de filtro de arena de capas múltiples para tratamiento de agua para consumo Estudiante Sol Noelia Martinez Armijos Asesores Erika Tenorio, M.Sc. Ana Rut Benitez, M.Sc. Jacob Vásquez, Mtr. Honduras, agosto 2021 2 Autoridades TANYA MÜLLER GARCÍA Rectora ANA MARGARITA MAIER Vicepresidenta y Decana Académica ERIKA TENORIO MONCADA Directora Departamento Ambiente y Desarrollo HUGO ZAVALA MEMBREÑO Secretario General 3 Contenido Índice de Cuadros ................................................................................................................................... 5 Índice de Figuras ..................................................................................................................................... 6 Índice de Anexos ..................................................................................................................................... 7 Resumen ................................................................................................................................................. 9 Abstract ................................................................................................................................................. 10 Introducción .......................................................................................................................................... 11 Materiales y Métodos ........................................................................................................................... 15 Análisis de Diseños de Filtros Lentos de Arena Basado en Investigaciones Existentes ........................ 15 Construcción de los Filtros .................................................................................................................... 16 Arena ..................................................................................................................................................... 18 Grava ..................................................................................................................................................... 18 Zeolita ................................................................................................................................................... 19 Carbón Activado .................................................................................................................................... 19 Ensayo de Filtración .............................................................................................................................. 21 Análisis de Agua .................................................................................................................................... 23 Análisis Estadístico ................................................................................................................................ 25 Eficiencia de Remoción de Parámetros de Calidad de Agua Mediante Investigaciones Existentes ..... 26 Velocidad de Filtración.......................................................................................................................... 35 Eficiencia de Remoción Bajo Dos Rangos de Turbidez ......................................................................... 38 4 Parámetro de Calidad: Turbidez ........................................................................................................... 38 Parámetro de Calidad: Color ................................................................................................................. 42 Parámetro de Calidad: Potencial de Hidrogeno ................................................................................... 45 Parámetro de Calidad: Conductividad Eléctrica ................................................................................... 46 Parámetro de Calidad: Sólidos Totales Disueltos ................................................................................. 47 Conclusiones ......................................................................................................................................... 53 Recomendaciones ................................................................................................................................. 54 Referencias ........................................................................................................................................... 55 Anexos ................................................................................................................................................... 61 5 Índice de Cuadros Cuadro 1 Criterio del diseño de los filtros............................................................................................ 20 Cuadro 2 Resumen de la revisión de estudios de filtros lentos de arena con diferentes sustratos y medidas ................................................................................................................................................. 30 Cuadro 3 Eficiencia de remoción para turbidez en los filtros 1 y 2 en rangos de 60 - 70 UNT y 210 - 230 UNT ....................................................................................................................................................... 39 Cuadro 4 Eficiencia de remoción para color aparente en los filtros 1 y2 en rangos de 60-70 UNT y 210- 230 UNT ................................................................................................................................................ 43 Cuadro 5 pH en los filtros 1 y 2 en rangos de 60-70 UNT y 210-230 UNT. .......................................... 46 Cuadro 6 Conductividad eléctrica en los filtros 1 y 2 en rangos de 60-70 UNT y 210-230 UNT .......... 47 Cuadro 7 Eficiencia de remoción para sólidos totales disueltos en los filtros 1 y 2 en rangos de 60-70 UNT y 210-230 UNT. ............................................................................................................................. 48 Cuadro 8 Descripción de los parámetros de calidad de los filtros 1 y 2 en un rango de 60-70 UNT. .. 49 Cuadro 9 Descripción de los parámetros de calidad de agua de los filtros 1 y2 en un rango de 210-230 UNT. ...................................................................................................................................................... 50 Cuadro 10 Descripción de pH de los filtros 1 y 2 en rangos de turbidez de 60-70 UNT y 210-230 UNT. .............................................................................................................................................................. 51 Cuadro 11 Comparación de medias entre el filtro 1 y 2 en rangos de turbidez de 60-70 UNT y 210-230 UNT. ...................................................................................................................................................... 51 6 Índice de Figuras Figura 1 Vista externa del diseño de los filtros ..................................................................................... 17 Figura 2 Esquema de diseño de filtro de agua. ..................................................................................... 18 Figura 3 Representación de la estructura de los filtros 1 y 2, respectivamente.................................. 21 Figura 4 Velocidad de filtración promedio del filtro 1 y 2 a un rango de turbidez de 60 - 70 UNT. ..... 36 Figura 5 Velocidad de filtración promedio del filtro 1 y 2 a un rango de turbidez de 210 - 230 UNT. . 37 Figura 6 Reducción de turbidez con el transcurso de tiempo en horas para el filtro 1 y 2 en un rango de 60 - 70 UNT. ..................................................................................................................................... 40 Figura 7 Reducción de turbidez con el transcurso de tiempo en horas para el filtro 1 y 2 en un rango de 210-230 UNT. ................................................................................................................................... 42 Figura 8 Efecto del color aparente con respecto al tiempo de filtración para el filtro 1 y 2 en un rango de 60-70 UNT. ....................................................................................................................................... 44 Figura 9 Efecto del color aparente con respecto al tiempo de filtración para el filtro 1 y 2 en un rango de 210-230 UNT. ................................................................................................................................... 45 7 Índice de Anexos Anexo A Litros que entran y bajan del filtro, tiempo de filtración, caudal de salida y velocidad de filtración a un rango de turbidez de 60-70 UNT. .................................................................................. 61 Anexo B Litros que entran y bajan del filtro, tiempo de filtración, caudal de salida y velocidad de filtración a un rango de turbidez de 210-230 UNT. .............................................................................. 63 Anexo C Lijar tubos cuadrados de metal .............................................................................................. 65 Anexo D Tamizado de arena fina, arena gruesa y grava. ..................................................................... 66 Anexo E Pintado de la estructura donde se colocaron los recipientes de plástico. ............................. 67 Anexo F Colocación de los sustratos dentro de los filtros. ................................................................... 68 Anexo G Instalación de los filtros con su respectiva estructura dentro del laboratorio del departamento de Ambiente y Desarrollo. .................................................................................................................... 69 Anexo H Recolección del agua en el río del Yeguare. ........................................................................... 70 Anexo I Supervisión del filtro 1 en caso de rebalse. ............................................................................. 71 Anexo J Paso del agua cruda a través de los filtros. ............................................................................. 72 Anexo K Utilización del multiparámetro en las muestras de agua ....................................................... 73 Anexo L Llenado de celdas. ................................................................................................................... 74 Anexo M Análisis de turbidez ............................................................................................................... 75 Anexo N Primera recolección proveniente del río del Yeguare. ........................................................... 76 Anexo O Segunda recolección proveniente del río del Yeguare ........................................................... 77 Anexo P Muestras de la primera repetición a un rango de turbidez de 60-70 UNT. ............................ 78 Anexo Q Muestras de la segunda repetición a un rango de turbidez de 60-70 UNT. .......................... 79 Anexo R Muestras de la tercera repetición a un rango de turbidez de 60-70 UNT. ............................. 80 Anexo S Muestras de la primera repetición a un rango de turbidez de 210-230 UNT. ........................ 81 Anexo T Muestras de la segunda repetición a un rango de turbidez de 210-230 UNT. ....................... 82 Anexo U Muestras de la tercera repetición a un rango de turbidez de 210-230 UNT. ........................ 83 8 Anexo V Representación de rebalse en el filtro 1 ................................................................................. 84 Anexo W Prueba de normalidad Shapiro-Wilks para rango de turbidez de 60-70 UNT ....................... 85 Anexo X Prueba de normalidad Shapiro-Wilks para un rango de turbidez de 210-230 UNT ............... 86 9 Resumen El agua es considerada de vital importancia para el ser humano, puesto que previene enfermedades y suple necesidades fisiológicas. Sin embargo, puede tener un efecto adverso cuando se perturban sus propiedades físicas, químicas y biológicas. Frente a estos problemas se empleó un método de purificación del agua que es el filtro lento de arena. Estos tipos de filtros buscan ser una opción técnica, social, económica y viable para su purificación sobre todo en zonas rurales. El presente estudio tuvo como objetivo evaluar el desempeño de un modelo de filtro lento de arena de construcción casera con el fin de tratar agua para usos domésticos. Se construyeron dos filtros lentos de arena con diferentes posiciones de sustratos en su estructura. Se midió la velocidad de filtración y se evaluó la eficiencia de remoción de parámetros de calidad como turbidez, color, pH, conductividad eléctrica y sólidos totales disueltos bajo dos rangos de turbidez de 60-70 UNT y 210-230 UNT. Se aplicó un análisis estadístico descriptivo y una prueba t para comparar eficiencias obtenidas mediante los arreglos de medios filtrantes. Como resultado se obtuvieron velocidades óptimas de filtración en los dos filtros oscilando entre 1-2 L/min-1m-2. En cuanto a eficiencia de remoción fue de 30% para turbidez de 60-70 UNT y 70% para turbidez de 210-230 UNT. Sin embargo, no cumplen con estándares de calidad para consumo humano. Palabras clave: Eficiencia de remoción, Filtro de arena, Velocidad de filtración. 10 Abstract Honduras has 87.2% of the population without access to water sources and 86.9% to sanitation. Water is considered of vital importance for the human being since it avoids the prevention of diseases and supplies physiological needs. However, it can have an adverse effect when its physical, chemical, and biological properties are disturbed. Faced with these problems, a water purification method was used, which is the slow sand filter. These types of filters seek to be a technical, social, economic, health, sustainable and viable option for purification, especially in rural areas. The present study aimed to evaluate the performance of a homemade slow sand filter model to treat water for domestic uses. Two slow sand filters with different substrate positions were built in their structure. Filtration rate was measured and the removal efficiency of quality parameters such as turbidity, color, pH, electrical conductivity, and total dissolved solids was evaluated under two turbidity ranges of 60-70 UNT and 210-230 UNT. A descriptive statistical analysis and a t-test were applied to compare efficiencies obtained by the filter media arrangements. As a result, optimal filtration rates were obtained in the two filters ranging from 1-2 L/min-1m-2. In terms of removal efficiency, it was 30% for turbidity of 60- 70 UNT and 70% for turbidity of 210-230 UNT. However, they do not meet quality standards for human consumption. Keywords: filtration speed, Slow sand filter, Removal efficiency. 11 Introducción La salud humana y el desarrollo socioeconómico dependen del acceso a servicios básicos, entre ellos, el agua potable. Sin embargo, a nivel mundial se ha registrado 2.400 mil millones de personas que carecen un acceso de agua fija y saneamiento adecuado. De esta cifra 2.200 millones de personas en países en vía de desarrollo mueren por enfermedades asociadas al deficiente saneamiento del agua (Fernández y Mortier, 2005). En América Latina y el Caribe, la seguridad hídrica está relacionada con la satisfacción a través del acceso al agua de toda la población. Se considera que los problemas más serios en el suministro lo sufren la población de ciudades medianas y pequeñas, donde tienen servicios de agua y saneamiento por debajo de las normativas de calidad de agua establecidas (Ballestero et al., 2015). Honduras cuenta con hogares que no tienen un acceso a fuentes de agua y saneamiento. Para el año 2012, el 87.2% de la población tuvo acceso al agua y el 86.9% a saneamiento de esta, según cifras del Instituto Nacional de Estadística (LaFleur, 2014). Cerca de 700,000 hondureños no cuentan con servicios de agua mejorada y 1,500 millones no se benefician de servicios de saneamiento y con esto en accesibilidad, disponibilidad y calidad. Las personas que viven en zonas rurales son las más afectadas, donde el 86% de la población no tienen acceso a los servicios mejorados del agua y el 58% no tienen un acceso de saneamiento (Smits, 2017). El agua es considerada de vital importancia para el ser humano, ya que ayuda a eliminar sustancias producidas por procesos bioquímicos en el organismo. Las fuentes de agua que normalmente abastecen a las poblaciones son de lluvia, aguas superficiales o subterráneas (Chulluncuy-Camacho, 2011). Las personas usan el agua para varias actividades de consumo, o usos domésticos para el hogar. Se considera que una persona tiene un adecuado acceso al agua si dispone de al menos 20 L de agua para consumo por persona al día (C. Torres y Villanueva, 2014). La calidad del agua puede verse afectada por diferentes actividades humanas, agrícolas e industriales, que resultan nocivas para su consumo, de modo que, si existe un grado de 12 contaminación, no se puede utilizar en su estado natural. Cuando se perturban las propiedades químicas, físicas o biológicas de su composición es cuando se produce la contaminación del agua, la cual, puede generar efectos negativos en la salud de las personas en periodos previsibles de tiempo. Los factores que causan contaminación en el agua son agentes patógenos, desechos que necesitan oxígeno, sustancias químicas orgánicas e inorgánicas, nutrientes vegetales que provocan el crecimiento de plantas acuáticas, sedimentos, sólidos suspendidos, sustancias radiactivas y el calor (Aguiar y Portela, 2009). El agua tiene estándares mínimos de calidad que se exigen para distintas aplicaciones donde su destino es el consumo humano. En general, los agentes químicos y radioactivos, a dosis elevadas pueden causar cuadros agudas gastrointestinales o neurológicos y muertes. En dosis bajas, producen efectos a largo plazo y son más difíciles de medir (Carvajal et al., 2019). Es por esto, que es necesario que el agua cruda se someta a tratamientos antes de ser utilizada donde se busca una remoción total o parcial de impurezas (Rosario y Broncano, 2017). Para ello se han diseñado distintos tratamientos para mejorar la calidad de agua, por ejemplo, la sedimentación, filtración y desinfección. Los últimos dos métodos se pueden utilizar a nivel comunitario (Conant, 2005). El método más común de desinfección a nivel domiciliario es el hervidor de agua que alcanza un punto de ebullición entre los 90 a 100 °C. Este método no supone una purificación del agua en su totalidad, pues algunos microorganismos facultativos sobreviven más allá de ese punto de ebullición (C. Torres y Villanueva, 2014). Frente a problemas de contaminación de agua, el uso de filtros de agua puede representar muchos beneficios para el ser humano. Estos son de fácil mantenimiento y mayor accesibilidad, siendo un medio de ayuda para las poblaciones vulnerables frente a limitaciones económicas y educativas. El filtro es un instrumento de tratamiento para uso individual, donde el agua puede recolectarse de un río, arroyo o pozo. Su uso depende completamente del morador, y no requiere un apoyo comunitario o grupo de personas. Esta tecnología es adecuada para los países en vía de 13 desarrollo que regularmente no tienen procesos reglamentarios que se necesitan para la construcción de sistemas multifamiliares eficaces (Aguiar y Portela, 2009). Es considerada como una opción técnica, social, económica, sanitaria, sostenible y viable para la potabilización de agua sobre todo en zonas rurales (W. Aguilar, 2019). Esta investigación en cuanto al tratamiento de aguas por medio de filtro lento de arena se relaciona con el ODS 6, donde se debe garantizar el acceso al agua y saneamiento para todos los fines y personas al 2030. La meta 6.3 de este objetivo dirige su atención a “mejorar la calidad del agua reduciendo la contaminación, eliminando el vertimiento y minimizando la emisión de productos químicos y materiales peligrosos” (Monteza, 2020). En décadas recientes las agencias gubernamentales, organizaciones no gubernamentales y el sector privado ha innovado el tratamiento de agua para el consumo de uso doméstico donde se tienen soluciones de fácil acceso, de operación y algunos de bajo costo (Avila y Figueroa, 2009). Se ha establecido que el filtro de agua es un aparato que contiene capas de materiales que están sobrepuestos entre sí y que generalmente son minerales que se encuentran de forma natural, donde su función principal es la purificación de cierto porcentaje de agua. En estos procesos de filtrado, se busca la, retención de sólidos en las capas, las cuales tienen como característica una textura porosa para la filtración de agua retención de partículas sólidas, como arena, el barro, oxido, polvo, hierro o altas cantidades de cloro y bacterias que contaminan el recurso (Cedeño, 2018). Existen dos tipos de filtración de arena, rápida y lenta. El filtro de arena rápido, el cual contiene arena gruesa u otro medio de filtración de modo que el agua pase a alta velocidad y baja presión (W. Aguilar, 2019). El filtro lento de arena es un proceso que puede operar de forma natural sin la necesidad de agregar alguna sustancia química. Sin embargo, requiere de un buen diseño, operación y mantenimiento para que no afecte el mecanismo de remoción microbiológica del filtro (W. Aguilar, 2019). Para esta investigación se hizo uso de la filtración lenta, ya que no se requiere producir grandes cantidades de agua y son de un bajo costo al solo fluir el agua por gravedad (Acosta y Calvo, 2006). 14 En cuerpos de agua naturales refleja la presencia de moléculas orgánicas que se derivan de diferentes materiales vegetales como turba, hojas, ramas, etc. También, puede ser aumentado por materia orgánica en suspensión (Martínez, 2018). El color también puede deberse a la contaminación por efluentes industriales, donde se ha comprobado que por acción del cloro como desinfectante puede dar origen a trihalometanos. Por otro lado, la turbidez se da por la presencia de partículas en suspensión, donde la medida aceptable en agua para consumo humano es de cinco unidades nefelométricas de turbidez. Sin embargo, es recomendable que se mantenga lo más bajo posible por los efectos microbiológicos (W. Aguilar, 2019). En el año 2019, se desarrolló un prototipo de filtro de arena lento con estudiantes en el módulo de Innovación Tecnológica de la Escuela Agrícola Panamericana, Zamorano. Para la construcción de este filtro, estudiantes de último año se basaron en diseños existentes y se adaptó para implementarlos en zonas rurales. Los materiales que se usaron fueron: arena zeolita, carbón activado, arena fina y arena gruesa, respectivamente. El filtro estuvo construido con materiales de fácil acceso y económicos, ya que atiende a la necesidad de personas con escasos recursos económicos. Con el propósito de reducir el riesgo de enfermedades gastrointestinales por el consumo de agua en condiciones de contaminación disminuyendo la turbidez en el agua y parámetros físico- químicos (Gutiérrez et al., 2019). El objetivo general del estudio fue: evaluar el desempeño de filtros lentos de arena de construcción casera con el fin de tratar agua para usos domésticos. Los objetivos específicos fueron: Documentar la eficiencia de remoción de parámetros de calidad de agua de diferentes diseños de filtros lentos de arena con base en revisión de literatura existente. Comparar la eficiencia de remoción de turbidez y color de un modelo filtro lento de arena con dos arreglos de medios filtrantes y en dos rangos de turbidez. Medir la velocidad de filtración en el filtro bajo los dos arreglos de medios filtrantes y en dos rangos de turbidez. 15 Materiales y Métodos Para el estudio se tomó el agua del río Yeguare, en el margen donde colinda con la Unidad de Suelos, ubicada dentro de la Escuela Agrícola Panamericana, Zamorano (Anexo H). Se localiza en el departamento de Francisco Morazán, Municipio de San Antonio de Oriente, Honduras en el km 30 de la carretera Tegucigalpa-Danlí. Está clasificada como un clima tropical seco (Caal, 2013). Geográficamente se encuentra entre las coordenadas 13°55’N y 14°02’N y 86°56’O y 87°03’O. Tiene una temperatura promedio de 25 °C, una altura que esta entre los 800-880 msnm y una precipitación anual promedio de 1,100 mm (Bertrand, 2008). El agua se recolectó de esta zona para evidenciar el estado del agua bajo diferentes condiciones de precipitación y poder con datos reales los cuales simulen a condiciones para ríos en comunidades rurales en Honduras. Análisis de Diseños de Filtros Lentos de Arena Basado en Investigaciones Existentes Para entender mejor el diseño de los filtros y los materiales que se utilizaron se buscó investigaciones existentes donde se recopiló evidencia de la eficiencia de remoción de contaminantes por medio de filtros lentos de arena a través de una revisión de literatura. A partir de la información obtenida se analizó el funcionamiento y operación de estos sistemas para provocar una remoción de contaminantes a través de los sustratos colocados dentro de sus estructuras. Además, estos diseños se los comparó con los filtros 1 y 2 construidos para esta investigación, donde se determinó si hay factores en cuanto a los medios utilizados o el tamaño de los diseños para obtener resultados de eficiencia similares o diferentes. La búsqueda de información se realizó a través de Google académico y Science Direct recopilando información a través de diferente base de datos, principalmente de información primaria y secundaria como tesis realizadas anteriores por diferentes universidades y artículos de revisión. Se consideró la selección de publicaciones que oscilaban entre años de 2006- 2022, ya que, a partir de estos años es donde se encontró información sobre parámetros Fisicoquímicos implementados para filtros lentos de arena. 16 Para esta revisión de literatura solo se tomó en cuenta, el tema, autor, tamaño del filtro diseñado en cuanto a su diámetro y altura y los parámetros de calidad de agua analizados en los valores iniciales y final. Además, se incluyó su eficiencia de remoción. Estos sirvieron como referencia a tomar en el diseño y estructura de los filtros, además de los materiales implementados en otras investigaciones, lo cual, podría representar diferencias en los resultados. Construcción de los Filtros El presente estudio requirió la construcción y puesta en marcha de dos filtros lentos de arena, en el cual, constó de diferentes etapas. Para la construcción de la estructura en que se evaluaron los filtros, se consideraron características de fácil construcción, manipulación y ahorro de espacio. Esta etapa se la dividió en tres partes de construcción, la primera fueron los filtros. El esqueleto del filtro fue construido con tubos PVC desarmables hembras y machos de 11.5 cm de diámetro y 12 cm de altura con forma cilíndrica. Para fijar las piezas macho con hembra se le ubicó un tubo reductor de 12 cm de altura (Figura 1). Posteriormente, la unión de las piezas fue por medio de las roscas de las piezas, las cuales, fueron aseguradas con malla con el mismo diámetro de las piezas hembras y machos y reforzado de teflón, lo que les permitió ser desarmables, evitar fugas y mezclar el material. Estas piezas fueron reforzadas con silicón y así prevenir posibles derrames de agua fuera de su estructura. En la parte inferior del filtro se le colocó un tapón PVC con 12 cm de altura, el cual contenía una boquilla para que el agua pudiera fluir hacia un recipiente de almacenamiento. Para la introducción de la boquilla se le perforó un agujero en el centro, por lo que fue reforzada con silicón y teflón, impidiendo su movilidad y mezcla de los materiales filtrantes por fugas. Finalmente, se le incluyó una prensa metálica con tornillos, en el que puede ser colocado en cualquier parte de su estructura externa dependiendo de la altura de la persona que lo quiera emplear. 17 Figura 1 Vista externa del diseño de los filtros La estructura para sostén del filtro fue construida con tubos cuadrados de metal, cuyo propósito fue para que el filtro no toque el suelo y se pudiera recolectar el agua filtrada en una cubeta de plástico ubicado en la superficie. La base contó con una altura de 105 cm, el cuadro de metal que sostiene el filtro tuvo una medida interna de 14.5 cm y externa de 18.5 cm. Para sujetar de una mejor manera al filtro se soldó una base circular de varilla lisa de 2 mm con una medida de 14 cm y sostenida por pedazos de 2 cm de la misma varilla. De modo que, pudieran ser sujetados estos cuadros de base se diseñaron cuatro patas con un largo de 105 cm cada una, las cuales tuvieron un ángulo de 8°, en el que, creó una abertura teniendo una distancia entre las patas de 40 cm. El objetivo de estas medidas de abertura fue para colocar las cubetas en la superficie y que este pueda recoger el agua filtrada y al mismo tiempo que no derrape. Para colocar el agua cruda a filtrar se utilizó dos recipientes de plástico blancos para cada filtro. Cada recipiente fue rotulado en la parte externa de su estructura con las medidas en litros que sirvieron como guía para poder saber cuántos se estuvieron filtrando. Además, contaron con una abertura en la parte inferior, donde se les colocó un grifo para que el agua pudiera ser regulada. Para la colocar los recipientes de agua en la parte superior de los filtros, se construyó una estructura con tubos cuadrados de metal. Las medidas de la estructura fueron de 1.50 m de altura y un rectángulo de 60 × 20 cm como base para colocar los recipientes que contenían el agua a filtrar (Figura 2). El filtro 18 numero 1 fue estándar para el diseño y estructura del filtro 2. Sin embargo, cada uno de ellos fue configurado diferente con los medios filtrantes internos. Los medios filtrantes fueron: Figura 2 Esquema de diseño de filtro de agua. Arena Es la unión de fragmentos sueltos de roca y minerales que resulta del proceso de erosión de estos materiales con el paso de los años (Cedeño, 2018). La arena que es usada en los filtros lentos debe tener un tamaño efectivo de 0.15 - 0.30 cm. Debe de estar libre de arcilla, tierra y materia orgánica (Cordero y Ullauri, 2011). Por su forma, facilita la retención de sólidos suspendidos, donde retiene la mayoría de las impurezas que puede traer el agua, incluyendo materia orgánica (Botero, 2020). Grava Está conformada por fragmentos de roca en forma redondeada que han sido resistentes al proceso de erosión, transporte y sedimentación. Llegan a medir de 0.20 - 0.64 cm de diámetro. Pueden utilizarse en capas de filtro por tener un buen comportamiento, con una ligera compactación y con zanjas drenantes. El mecanismo de remoción de los sólidos para las gravas tiene una naturaleza 19 diferente, en el que participan las fuerzas de cohesión entre el material y las partículas suspendida (Toapanta, 2018). Zeolita Es un adsorbente natural de alta capacidad. Tiende a producir una mayor claridad en agua filtrada y tiene una durabilidad de hasta más de 5 años. Además, por la porosidad de este sustrato el agua fluye con una mayor facilidad (Larrea, 2015). Este mineral se lo conoce por diversos usos en industrias y comercialmente (Anchundia y Segarra, 2017). Carbón Activado Está conformado por diferentes materiales que se diferencian por su estructura interna, distribución en poros, superficie especifica y granulometría. Se compone por tener 75 a 80% de carbono y de 5 a 10% de cenizas. Como estructura física es de microcristalina de una distribución de tamaño de poros determinada (Chiclote, 2018). Entre las cualidades del carbón activado es la capacidad de retener causantes de color, olor y sabor en medios acuosos. Además, tiene la característica de ser de un bajo costo (Rossi, 2017). Al momento de tener los dos prototipos de filtros construidos, se procedió a ubicar los sustratos en diferentes ubicaciones dependiendo del filtro. El orden de los sustratos puestos en los filtros fue el siguiente (Cuadro 1): Filtro 1: Algodón, Carbón activado, zeolita, arena fina, arena gruesa. Prototipo estándar. Filtro 2: Algodón, Carbón activado, arena fina, arena gruesa, grava El orden de sustratos utilizados en este filtro se basó en la investigación de Villanueva (2013), donde los sustratos que se usó fue arena fina, gruesa y grava. Dando resultados eficientes en cuanto a diferentes parámetros de calidad de agua. La utilización de algodón para incluirla en los filtros se basó en el estudio de Zamora (2019), donde evaluó la calidad del agua de la Quebrada El Tambo usando filtro de antracita, algodón, arena 20 gruesa y caliza triturada, dando resultados eficientes. Además, este material evitó que los medios filtrantes como el carbón activado pudieran ser evacuados directamente en el agua filtrada, el cual, sería utilizada para analizar posteriormente. Este material, también ayudó en gran medida a retener una cantidad de partículas del agua de un menor tamaño, lo cual, es de gran ayuda para tener una mayor calidad del agua filtrada. Cuadro 1 Criterio del diseño de los filtros Especificación Filtro 1 Filtro 2 Tamaño del filtro Altura 70 cm 71 cm Diámetro 11.500 cm 11.500 cm Medio del filtro Tipo del cuarto sustrato Arena gruesa Grava Granulometría 0.5 cm 0.5-2 cm Altura del cuarto sustrato 9 cm 9 cm Tipo del tercer sustrato Arena fina Arena gruesa Granulometría 0.2 cm 0.5 cm Altura del tercer sustrato 24 cm 24 cm Especificación Tipo del segundo sustrato Zeolita Arena fina Granulometría 0.1 cm 0.2 cm Altura del segundo sustrato 18 cm 24 cm Tipo del primer sustrato Carbón activado Carbón activado Granulometría 0.4 cm 0.4 cm Altura del primer sustrato 11 cm 11 cm Algodón Algodón 2 cm 2 cm Modo de operación Volumen de muestra del agua 9 L 9 L 21 Figura 3 Representación de la estructura de los filtros 1 y 2, respectivamente. Ensayo de Filtración Una persona consume 2 L de agua al día, esto es como un supuesto predeterminado en base a los valores de la Organización Mundial de la Salud con respecto al consumo de un adulto (Ginebra, 2011). Además, la cantidad de personas que integran en hogares en zonas rurales es de hasta cuatro personas por hogar (Figueroa, 2018). Esto da una suma total de 8 litros por familia al día, lo cual, es un sustento de recomendable para consumo humano. Sin embargo, se decidió filtrar 10 L por pérdidas de agua que ocurren al momento de filtrar, ya que los sustratos consumen el agua al adherirse en su estructura y resulta más favorable tener suficiente agua en caso de que se le quiera dar otros usos como el de cocinar alimentos. Este proceso tuvo la finalidad de explicar la rapidez en que el consumidor puede obtener el agua del filtro en un tiempo determinado. Lo cual, permite a los integrantes de una familia gestionar en qué momento del día comenzar a filtrar el agua y, así mismo, cuando ya se haya completado el proceso poder consumirla. En estos experimentos realizados, a pesar de que, los recipientes de plástico tienen una capacidad de llenado con agua cruda de 10 L, el volumen de entrada de agua a los filtros fue en total de 9 L. 22 El Cálculo que se utilizó fue la ecuación de caudal, en el cual se mide el volumen del caudal (V) expresado en L/h por el tiempo estimado de salida de agua ya tratada (T) (Ecuación 1). Para valorar el tiempo se utilizó un cronómetro (K. Torres y Torres, 2019). Q = V T [1] También se tomó en cuenta la caracterización del filtro, en este caso, como es un filtro por gravedad o lento se debe conocer sus dimensiones para el gasto de agua. Aquí se tuvo en cuenta el caudal de agua que baja (Q), expresada en m3/h y el área de la estructura del filtro en el cual están ubicados los sustratos (A), expresada en m2 para conocer la velocidad del paso del agua por los medios filtrantes. Por esto, se empleó la siguiente ecuación (Ecuación 2) (Toapanta, 2018). Velocidad de filtración ( 𝑚3 𝑚2h ) = (Q) (𝐴) [2] Se evaluaron dos rangos de turbidez. El parámetro de color igualmente estuvo involucrado, ya que, junto con la turbidez está relacionado por la carga de materia orgánica presente en el agua, e influye directamente en la eficiencia del tratamiento (Guzmán et al., 2015). Los rangos fueron: La turbidez baja fue de 60 - 70 unidades nefelométricas de turbidez. Este rango resultó de la turbidez inicial del agua recogida del río. La turbidez alta fue entre 210 - 230 unidades nefelométricas de turbidez. Este rango se eligió estimando la turbidez que se esperaría en eventos de alta precipitación y escorrentía en la zona. Para lograr tener turbidez mayor de 200 UNT, se procedió a mezclar el agua cruda, el cual su turbidez inicial era baja, con la arcilla caolín marca MilliporeSigma. La preparación de la mezcla se basó en la investigación de Gómez (2010). Donde mezcló agua sintética con cinco gramos de caolín por 1 L de agua proveniente del grifo. Esta mezcla fue agitada por una hora a 200 revoluciones por minuto. Este mismo método se utilizó para preparar el agua cruda proveniente del río Yeguare, donde las mezclas se las realizaron en 1 L de agua cruda utilizando un matraz volumétrico y una capsula En 23 cuanto al rango de turbidez de 60 - 70 UNT no se necesitó mezclar el agua cruda con caolín, ya que la turbidez inicial del río oscilaba en estos valores cuando no se presentaban lluvias torrenciales o de larga prolongación. La preparación para la creación de agua turbia en un rango de 210 - 230 UNT, se realizó mezclando el agua cruda proveniente del río del Yeguare con los gramos de caolín necesarios para obtener la turbidez deseada. Para esto, se hicieron pruebas, que consistió en la preparación de pequeñas cantidades de gramos de caolín con el agua cruda inicial del rio. La turbidez obtenida de estas mezclas, sirvieron de guía para preparar el agua con la cantidad de litros necesaria a filtrar en los dos tratamientos, siendo este un total de 24 L. Al tener dos recipientes de agua para cada tratamiento, se dividió 11.50 L de agua cruda del río para cada uno. Posteriormente, se vertió la mitad de la mezcla preparada para cada tratamiento, es decir, 0.50 L, dando como resultado 12 L para cada filtro. Para medir la eficiencia de remoción de contaminantes en los diferentes rangos se usó la ecuación representada en porcentaje (K. Torres y Torres, 2019). A través de la siguiente Ecuación 3 se determinó la eficiencia de remoción de turbidez en las dos configuraciones de los filtros. Eficiencia de remocion (%): X inicial −X final X inicial × 100 [3] El muestreo de los filtros se realizó durante 5 días a la semana, donde se recolectó primero el agua en el lugar indicado para la toma de muestras, luego se midió la turbidez inicial del agua cruda. Para crear una turbidez alta se vertió la arcilla que posteriormente fue pasada por los filtros. Las muestras de agua fueron trasladadas al laboratorio para hacer los respectivos análisis. Análisis de Agua Para llevar a cabo el proceso de filtración del agua, se tomó una cantidad de 100 L recogidos en cinco botes de plástico en 3 días diferentes de la vertiente del río del Yeguare. Dando una cantidad total de 300 L para toda la experimentación. A esta muestra se le aplicó arcilla caolín para conseguir 24 los rangos que se pretende evaluar en el filtro. La arcilla caolín es un aluminosilicatos hidratado por la descomposición de rocas feldespáticas, siendo un material muy versátil para diferentes usos industriales (Reyes, 2011). Las muestras recolectadas del río para análisis fisicoquímico fueron por medio de botes de plástico. Estos fueron enjuagados tres veces consecutivas para la eliminación de partículas (O. Aguilar y Navarro, 2018). Se llevó un registro de cada muestra recolectada con una etiqueta inscrita, donde se colocó la fecha, nombre del recolector de la muestra, la hora, y la ubicación. Las muestras del río se tomaron debajo de la superficie en áreas donde no presentaban corrientes fuertes de agua y con la boca del bote dirigido hacia la corriente (Bridgewater, 2017). Al finalizar se llevó al laboratorio y se las mantuvieron en condiciones de ambiente, ya que los parámetros a evaluar son fisicoquímicos y las condiciones a las que fueron tomadas no varían. Los parámetros de calidad de agua evaluados en este estudio fueron turbidez y color. La turbidez mide la dispersión de las partículas suspendidas en función al número, tamaño y forma que está en el agua al paso de la luz (Broncano y Rosario, 2017). El color indica la presencia de posibles sustancias orgánicas (Guzmán et al., 2015). El parámetro que se tomó en cuenta para los análisis fue color aparente. El cual, es el color del agua sin haber sido filtrada o centrifugada para la eliminación del material en la solución y en suspensión (Pérez, 2010). Junto con esto, se tomaron en cuenta otros parámetros como indicadores del comportamiento de los parámetros centrales. Estos fueron: potencial de hidrogeno, que es la medida de la concentración de iones de hidrógeno, donde se determina la naturaleza ácida o básica de una solución (Rossi, 2017). Los rangos de pH para agua potable tienen que andar entre 6.5 y 8.5 (Rodríguez, 2009). La conductividad eléctrica del agua mide la capacidad de transportar la corriente eléctrica, la cual, esta expresada como microsiemens sobre centímetro (µS/cm) (Solís et al., 2018). Finalmente, se midió los sólidos totales disueltos los cuales son moléculas en forma molecular e ionizada disueltas en el agua. Esta se debe a la presencia de minerales, gases que son producto de la descomposición de la 25 materia orgánica, metales y compuestos químicos, que provocan olor, color y sabor (Toasa, 2012). Estos se midieron para conocer el efecto de la filtración en las características fisicoquímicas de las muestras. Las mediciones se ejecutaron en el laboratorio de calidad de aguas en el Departamento de Ambiente y Desarrollo ubicado en la Escuela Agrícola Panamericana Zamorano. El color se lo determinó mediante una comparación visual y un espectrofotómetro con unidades de mg/L platino- Cobalto (Bridgewater, 2017). Para turbidez se utilizó un turbidímetro marca “HACH®” cat No.2100 QIS01, donde se debe agitar tres veces la muestra en el envase para quitar las burbujas y asegurar que el instrumento esté calibrado. Para la obtención de los valores de temperatura, conductividad y pH se lo midió con un multiparámetro serie 35 marca “Oakton®” (Vásquez, 2021). En el caso de los tres últimos parámetros se usó un agitador magnético y capsulas magnéticas con el objetivo que las partículas no fueran sedimentadas. Análisis Estadístico El enfoque de esta investigación fue de tipo cuantitativo, ya que, consta de un análisis estadístico descriptivo e inferencial tomando los valores de la muestra general resultante de todos los litros filtrados. El primer análisis contiene la media, desviación estándar, varianza, coeficiente de variación, valores mínimos y máximos, y error estándar. Para el segundo análisis se realizó una prueba t para muestras independientes con tres repeticiones. El propósito fue hallar diferencias entre tratamientos para eficiencia de remoción en parámetros de calidad de agua. Sin embargo, para comenzar con el análisis primero se realizó una prueba de normalidad de “Shapiro-wilks”. Los análisis estadísticos se desarrollaron con la ayuda del programa estadístico “Infostat®” versión 2020, y el nivel de confianza que se utilizó para las pruebas fue del 95%. 26 Resultados y Discusión Para que los medios se asienten en la superficie se les vertió pequeñas cantidades de agua para que los sustratos pudieran ser asentados en el filtro. Los filtros se ubicaron en el laboratorio de Ambiente y Desarrollo, donde fueron colocados en paralelo donde no se permitía su movilización. Eficiencia de Remoción de Parámetros de Calidad de Agua Mediante Investigaciones Existentes Por medio de la revisión de literatura de filtros diseñados en diferentes partes del mundo, se pudo comparar el funcionamiento de los filtros de esta investigación (Cuadro 2). Para la revisión se tomó en cuenta la posición de los minerales, la altura que ocupaban y sustratos utilizados en que diferentes autores diseñaron los filtros junto con el tamaño y diámetro de los filtros. Igualmente, se tomó en cuenta los parámetros analizados, donde variaron según el diseño planteado en cada investigación. La principal diferencia fue el tamaño en que se ubicaron los sustratos, en el que se aprecian mejores eficiencias en los parámetros de calidad cuando el filtro tiene un tamaño de diámetro mayor a los 30 cm. Por lo que, al compararlo con los filtros 1 y 2, se puede inferir que este aspecto de diseño tuvo una influencia para la remoción de contaminantes presentes en el agua. En el Cuadro 2 se presenta un resumen de los estudios afines al presente en cuanto a caracterización de desempeño de filtros caseros. 30 Cuadro 2 Resumen de la revisión de estudios de filtros lentos de arena con diferentes sustratos y medidas Investigación Autor Composición de los filtros Capacidad del filtro Altura de la estructura Diámetro de la estructura Parámetros de la calidad iniciales Resultados Eficiencia de remoción Evaluación de la filtración lenta de arena para la potabilización del agua en el corregimiento de San José de Playón Rivas y García (2016) Grava: 3.81 cm Grava fina: 2.54 cm Arena: 19 cm. Cada unidad de los filtros lentos de arena se conformó por dos recipientes de plástico. Capacidad del filtro: 30 L/día. 36.5 cm 30.5 cm Turbidez: 16.63 UNT Color aparente: 195 UPC Coliformes totales: 3,100 UFC/100 mL. pH: 7.61 Turbidez: 2.41 UNT Color aparente: 58 UPC. Coliformes totales: 0 UFC/100 mg/L pH: 7.88 Turbidez: 85.51% Color aparente: 70.25% Coliformes totales: 100% Eficiencia del tratamiento filtro lento de arena en la remoción de carga orgánica en efluentes del mercado de Flores, Barranco. Moncada (2017) Arena fina: 10 cm Arena gruesa: 15 cm Grava: 10 cm 20 L 45 cm 40 cm DBO5: 403.6 mg/L SST: 150 ppm Color: 550 mg Pt- Co C.E: 5087 µs/cm. pH: 7.23 DBO5: 54.2 mg/L SST: 8 ppm Color: 215 mg Pt-Co C.E: 1670 µs/cm pH: 7.23 DBO5: 86.57% SST: 94.67% Color: 60.91% C.E: 67.17% Tratamiento y reúso de aguas grises mediante un filtro lento de arena Valdez et al. (2018) Arena fina: 5cm Arena gruesa: 5 cm Canto rodado: 15 cm Se utilizó un tanque con una capacidad de 200 L 98 cm 59 cm Turbidez: 180 UNT Turbidez: 5 UNT Turbidez: 97.22% 31 Investigación Autor Composición de los filtros Capacidad del filtro Altura de la estructura Diámetro de la estructura Parámetros de la calidad iniciales Resultados Eficiencia de remoción Implementación de un sistema de filtración lenta de arena en comunidades vulnerables para mejorar la calidad de agua para consumo humano. Según la normatividad ambiental vigente y la vulnerabilidad de la vivienda. Villanueva (2013) Arena de peña: 40 cm Arena de rio: 15 cm Grava: 15 cm 500 L 132 cm 88 cm Color aparente: 30 mg Pt-Co Turbidez: 25 UNT C.E: 256 µs/cm STD: 127.4 ppm pH: 6.5 Color aparente: 0 mg Pt-Co Turbidez: 1.47 UNT C.E: 216 µs/cm STD: 108 ppm pH: 6.9 Color aparente: 100% Turbidez: 94.12% C.E: 15.63% STD: 15.22% Mejora de la calidad del agua de río Cumbe empleando filtro de carbón activado. Chiclote (2018) Piedra grande: 25 cm Carbón activado: 30 cm Gravilla: 10 cm Grava: 25 cm 200 L 90 cm 60 cm Turbidez: 5.61 UNT Coliformes totales: 9.2X103 NMP/100 ml Coliformes fecales: 490 NMP/100 ml pH: 7.86 Turbidez: 3.74 UNT Coliformes totales: 3.5X103 NMP/100 ml Coliformes fecales: 230 NMP/100 ml pH: 8.5 Turbidez: 33.33% Coliformes totales: 61.29% Coliformes fecales: 53.06% 32 Investigación Autor Composición de los filtros Capacidad del filtro Altura de la estructura Diámetro de la estructura Parámetros de la calidad iniciales Resultados Eficiencia de remoción Remoción de arsénico del agua de consumo humano con filtros de clavos de hierro, fibra comercial, grava y arena. Avilés et al. (2011) Gravilla: 5 cm Grava: 15 cm Arena sílica: 10 cm Gravilla: 5 cm Grava: 7 cm Se usaron dos que contaban con columnas de acrílico transparente con una capacidad de filtro de 28.8 L Filtro 1: 14 cm Filtro 2: 42.5 cm Filtro 1 y 2: 0.25 cm Color verdadero: 7 mg Pt-Co. Turbidez: 5.06 UNT. C.E: 447 µs/cm pH: 8.70 Color verdadero: 20 mg Pt-Co Turbidez: 9 UNT C.E: 424 µs/cm pH: 8.55 Color verdadero: 0% Turbidez: 0% C.E: 5.15% Efectividad del filtro de grava, sulfato de aluminio y carbón activado en la eliminación de detergentes de aguas residuales urbanas de la ciudad de Cajamarca Mamani y Saucedo (2021) Grava: 12 cm. Carbón activado: 250 gramos Algodón 20 L 32 cm 9 cm Turbidez: 591.5 UNT pH: 8.44 Turbidez: 32.30 UNT pH: 8.03 Turbidez: 94.54% 33 Investigación Autor Composición de los filtros Capacidad del filtro Altura de la estructura Diámetro de la estructura Parámetros de la calidad iniciales Resultados Eficiencia de remoción Propuesta de diseño y estudio de un filtro de grava para potabilizar el agua subterránea para el consumo en una finca ubicada en la vía Progreso-Playas. Arias y Gonzabay (2022) Arena: 12 cm Algodón: 2 cm Carbón activado: 8 cm Algodón: 2 cm Zeolita: 3 cm Algodón: 2cm Arena: 12 cm Algodón: 2cm Grava: 12 cm Se utilizó un tanque cilíndrico vertical con una capacidad del filtro de 250 L 94 cm 56 cm Color verdadero: 25 mg Pt-Co. Turbidez: 2.35 UNT. Sólidos disueltos: 763 mg/L pH: 7.04 Color verdadero: 32 mg Pt-Co Turbidez: <2.5 UNT Sólidos disueltos: 596 mg/L pH: 7.04 Color verdadero: 0% Turbidez: 0% Sólidos disueltos: 22.02% Eliminación de impurezas fisicoquímicas y microbiológico del uso de agua modificada a un filtro casero. Embialle et al. (2006) Arena: 40 cm Ladrillo triturado: 10 cm Gravilla: 9 cm Piedra de drenaje: 10 cm Tanque construido con piezas metálicas. Caudal volumétrico: 0.35 L/min 100 cm 30 cm Turbidez: 64 UNT C.F: 1,800 NMP/100 ml pH: 6.8 Turbidez: 6.3 UNT C.F: 980 NMP/100 ml pH: 6.9 Turbidez: 90.16% C.F: 45.56% Evaluación de filtros de carbón activado basado en cáscaras de frutas (piña, plátano, coco, naranja) Arrocha et al. (2019) Grava: 3.5 cm Arena: 5 cm Carbón de coco, Plátano, piña y naranja: 1.7 cm Arcilla: 1 cm Algodón: 3 cm Se utilizó un vaso transparente de 20 oz. - - Turbidez: 12.7 UNT Turbidez Coco: 4.23 UNT Plátano: 0.63 UNT Naranja: 3.88 UNT Piña: 6.61 UNT Turbidez Coco: 66.69% Plátano: 95.04% Naranja: 69.45% ] Piña: 47.95% 34 Investigación Autor Composición de los filtros Capacidad del filtro Altura de la estructura Diámetro de la estructura Parámetros de la calidad iniciales Resultados Eficiencia de remoción Purificación de aguas subterráneas por medio de filtros lentos de arena para consumo humano en la comunidad de Thunco-Puno Carcausto (2017) Carbón activado: 10 cm Arena fina: 20 cm Arena gruesa: 10 cm Grava: 10 cm 2.43 L 80 cm - Turbidez: 6.26 UNT S.T: 1310 mg/L C.E: 1879 µs/cm C.T: 1100 NMP/100 ml pH: 7.82 Turbidez: 2 UNT S.T: 765 mg/L C.E: 1530 µs/cm C.T: 2.2 NMP/100 ml pH: 8.60 Turbidez: 68.05% S.T: 41.60% C.E: 18.57% C.T: 99.80% Optimización de la filtración lenta de arena Muhammad et al. (1996) Arena: 73 cm Grava: 40 cm Caudal volumétrico: 0.5 L/min 262 cm - - - C.F: 96.70% C.T: 96.40% Turbidez: 87.90% Color: 83% Profundidad del medio filtrante y su efecto en la eficiencia de la arena lenta domestica: Filtro en flujo continuo Freitas et al. (2021) Arena: 25 cm Arena gruesa: 5cm Grava fina: 5 cm Grava: 7.5 cm 48 L 65 cm 26 cm Turbidez: 13.2 UNT Color aparente: 61.40 mg/L Pt-Co C.T: 5356 NMP/100 ml pH: 7.05 Turbidez: 3.30 UNT Color aparente: 16.60 mg/L Pt- Co C.T: 48 NMP/100 ml pH: 7.16 Turbidez: 75% Color aparente: 72.96% C.T: 99.10% Evaluación de filtros de desbaste y arena lenta para el tratamiento de aguas El-Taweel y Ali (2000) Arena: 75 cm Grava: 35 cm Caudal volumétrico: 1X10- 5 L/min 200 cm 30 cm Turbidez: 6.50 UNT C.E: 370 µs/cm STD: 225 ppm pH: 7.50 Turbidez: 0.50 UNT C.E: 370 µs/cm STD: 225 ppm pH: 7.20 Turbidez: 92.31% C.E: 0% STD: 0% 35 Investigación Autor Composición de los filtros Capacidad del filtro Altura de la estructura Diámetro de la estructura Parámetros de la calidad iniciales Resultados Eficiencia de remoción Instalación del filtro lento de arena del reactor UASB en efluentes: una técnica prometedora posterior al tratamiento. Tyagi et al. (2009) Arena fina: 10 cm Arena gruesa: 22cm Grava fina: 11 cm Grava: 11 cm Bolas de vidrio: 2 cm 100 L 120 cm 10 cm Turbidez: 56.5 UNT Turbidez: 2.90 UNT Turbidez: 91.60% Nota. Conductividad eléctrica (C.E). Sólidos totales disueltos (STD). Coliformes totales (C.T). Coliformes fecales (C.F). Sólidos totales (S.T). 35 Velocidad de Filtración Para la velocidad de filtración se tomaron las medidas de todos los litros vertidos en los filtros. Esto con el propósito de evidenciar el comportamiento de la velocidad de filtración a medida que ingresaba menos volumen de agua en de los filtros. Además, se tomó en cuenta el caudal volumétrico de ingreso hacia los filtros, el cual fue para todas las repeticiones aproximadamente de 0.2 L/min. Se consideró esta medición de agua inicial como guía para prevenir una sobresaturación de agua en el filtro 1, en el que si se le aplicaba un mayor caudal volumétrico provocaba un rebalse del agua cruda. Según Rivas y García (2016), una velocidad óptima de filtración debe estar entre 1.67 y 3.33 L/min-1 m-2 y para que pueda ser catalogado como un filtro lento de arena debe estar en rangos de 1.7 hasta 6.7 L/min-1 m-2. Además, Cordero y Ullauri (2011) menciona que a velocidad más grandes el filtro tiende a obstruirse en un tiempo más corto y se deteriora la calidad del agua filtrada. Por medio de este sistema de caída de agua se comprobó que la presión en que cae el agua fue diferente en todo momento, es decir, el volumen fue disminuyendo simultáneamente a medida que el agua se filtraba. El filtro 1, presentó una disminución de velocidad a medida que pasaban los litros, en el que, su mayor valor fue al filtrar 1 L. Sin embargo, disminuyó considerablemente al filtrar 2 L, teniendo una diferencia de 1 L a otro de 0.8 L/min-1 m-2 (Figura 2). No obstante, para el resto de los litros filtrados hubo una velocidad de filtración progresiva. Esto se debe al caudal volumétrico de entrada hacia los filtros, en el que fue disminuyendo a medida se iban filtrando los litros (Anexo A). Por otra parte, se determinó que este tratamiento funcionó como un filtro lento de arena, ya que, las velocidades están dentro del rango óptimo de filtración siendo este de 1.3 L/min-1 m-2. En el filtro 2, igualmente se apreció una diferencia de 1.2 L/min-1 m-2 entre 1 y 2 L filtrados. Al igual que el filtro 1, este tratamiento también operó en velocidades de filtración óptimas. La diferencia entre los dos tratamientos con respecto a la velocidad de filtración fue que el filtro 2 presentó mayores valores en comparación con el filtro 1. Esto se debió a la retención de agua 36 que se dio en el filtro 1, por tamaño de los poros de los sustratos colocados en este tratamiento, el cual, son pequeños. Se comprobó que, por esta razón se forma una capa de agua en la superficie del cuarto sustrato, no permite que el agua fluya con normalidad y se demore un mayor tiempo en filtrar por completo el agua cruda (Anexo V). El filtro 2 por su lado, no presento este problema, puesto que, el agua pasaba con una mayor facilidad por los sustratos sin que provocara una retención como lo hacía el filtro 1. Además, de que, por su capacidad de filtrar el agua sin retener agua dentro de su estructura, se le pueden añadir un mayor caudal volumétrico. Figura 4 Velocidad de filtración promedio del filtro 1 y 2 a un rango de turbidez de 60 - 70 UNT. En el filtro 1, la mayor diferencia entre velocidades de filtración se presenta al principio del proceso de filtración, es decir, en el primer y segundo litro filtrado con un valor de 0.46 L/min-1 m-2. En el que, posteriormente disminuye para cuando se filtran los otros litros. Estos cambios en las velocidades se debieron primordialmente al caudal volumétrico que ingresaba al filtro, en el que, a medida que este disminuía lo hacía también la velocidad. A través de la velocidad se pudo conocer 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 L/ m in -1 m -2 Litros Filtro 1 Filtro 2 37 que este tratamiento está operando como un filtro lento de arena. El filtro 2 presentó una mayor velocidad de filtración que el filtro 1 en los primeros litros filtrados. En el que, se podría inducir el aumento el caudal volumétrico, lo cual, se disminuiría el tiempo de espera en filtrar el agua (Figura 5). Una diferencia que se presenció fue entre los rangos de turbidez. En el que la velocidad de filtración de 210 - 230 UNT los valores fueron menores comparados a los valores de un rango de 60 - 70 UNT. Esto se debió principalmente a la cantidad de sólidos que contenían el agua cruda en los dos parámetros. Por lo cual, cuando se presenta una mayor cantidad como es el caso del rango de 210 - 230 UNT el agua demora su proceso de filtración para lograr disminuir las partículas contaminantes haciendo que la velocidad sea menor. Mientras que para turbidez de 60 - 70 UNT, al no presentar la misma cantidad, los filtros tienen un tiempo de filtración menor, haciendo que su velocidad aumente (Anexo A). Figura 5 Velocidad de filtración promedio del filtro 1 y 2 a un rango de turbidez de 210 - 230 UNT. 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 L/ m in -1 m -2 Litros Filtro 1 Filtro 2 38 Eficiencia de Remoción Bajo Dos Rangos de Turbidez Esta investigación se trabajó a una temperatura ambiente, donde para turbidez con rango de 60 - 70 UNT, fue en promedio de 23.7 °C y alcanzó temperaturas de 22.8 °C cuando el agua pasaba a través del filtro. Para turbidez con rango de 210 - 230 UNT, fue la misma temperatura inicial y final de 23.5 °C. La temperatura llega a ser un parámetro de medición importante ya que si se evidencia un aumento en grados, indica, una proliferación de microorganismos que influyen negativamente en el sabor, olor y color del agua (W. Aguilar, 2019). Se tomó seis muestras de agua para análisis de calidad de agua, los cuales fueron: en el primer, tercer, quinto, séptimo y noveno litro filtrado. Además, se tomó una muestra general de todos los litros filtrados por los filtros depositados en las cubetas de plástico en la superficie. Para el análisis de calidad de agua, las muestras fueron tomadas a partir del primer litro filtrado. Esta estimación fue por medio de pruebas anteriores realizadas antes del obtener datos reales. En el que, se evidenció que el tiempo que tarda en filtrarse 1 L fue de 5 a 7 minutos. Mientras que, el tiempo que se tardó en pasar el primer litro filtrado, fue de 0 a 2 minutos. Esta apreciación para comenzar a analizar el agua por los litros de entrada al filtro se basó en la investigación Arana (2016), orientado en la aplicación de carbón activado granular en la filtración de agua clarificada del río Cauca. Indicó que el tiempo de recolección para el análisis de turbidez fue a partir de los 5 minutos hasta llegar hasta los 15 minutos para un total de 6 horas de medición. Por medio de esta investigación, demostró que la primera muestra del agua filtrada en el tiempo 0 fue la que presento mayor turbidez comparado a la inicial, debido al posible lavado de las partículas restantes que no pudieron ser removidas en el transcurso de preparación del medio. Parámetro de Calidad: Turbidez Las turbiedades iniciales en un rango de 60 - 70 UNT fueron diferentes en las tres repeticiones (Cuadro 3). Esto se debió a que la turbidez cambiaba diariamente por procesos de sedimentación. 39 Donde las partículas en movimiento se volvieron partículas sedimentables al pasar un tiempo desde su recolección hasta utilizarla nuevamente para realizar las otras repeticiones, aun siendo mínimas en su alteración. El agua al sedimentar partículas en suspensión remueve o separa de su flujo estos sólidos por efecto de la gravedad. Estas partículas se vuelven más densas que el agua y como resultado el fluido es clarificado y con una suspensión más concentrada (Chulluncuy-Camacho, 2011). Los valores iniciales para turbidez de 210 - 230 UNT en cada repetición fue diferente. Para la primera repetición se hizo una mezcla con arcilla caolín de 1.9 g para 24 L de agua cruda con una turbidez inicial proveniente del rio de 34.05 UNT. Para la repetición dos fue el mismo procedimiento con una turbidez inicial de agua cruda directamente del río de 61.85 UNT, sin embargo, la mezcla de caolín con agua cruda fue con 2.4 g para los 24 L. Para la repetición tres, la turbidez inicial del agua cruda del rio fue de 89.6 UNT, en el cual se le añadió 2.9 g de caolín para realizar la mezcla y subir la turbidez a la que se deseaba. Cuadro 3 Eficiencia de remoción para turbidez en los filtros 1 y 2 en rangos de 60 - 70 UNT y 210 - 230 UNT Turbidez Volumen filtrado (L) 60-70 UNT 210-230 UNT Filtro 1 Filtro 2 Filtro 1 Filtro 2 R. 1 R. 2 R. 3 R. 1 R. 2 R. 3 R. 1 R. 2 R. 3 R. 1 R. 2 R. 3 Inicial UNT 65.1 70.1 61.2 65.1 68 60.8 210.5 226 224 210.5 222.5 217 1 % 39.0 13.6 23.2 29.9 26.9 25.9 74.1 70.9 77.3 72.1 71.7 70.5 3 % 26.4 34.2 18.5 30.4 31.5 26.9 71.2 75.8 73.3 71.9 71.4 74.2 5 % 27.2 35.9 25 32.5 35.2 27.4 72.9 74.5 75.1 74.9 79.2 72.2 7 % 32 35.2 26.6 36.1 37.4 30.9 72 78.1 74.1 74.3 79.9 73.4 9 % 38.9 36.1 27.1 42.2 41.4 32.2 74.6 88 81.9 75.4 83.2 79.9 General % 33.1 35.1 28.6 35.7 35.9 29.3 73.9 73 78.9 74.1 73.2 75.7 Nota. Repeticiones del experimento (R.). Los filtros mostraron una reducción de turbidez no muy lejos de su valor inicial promediando las tres repeticiones. Sin embargo, se presentan diferencias con respecto a los litros y la remoción de turbidez (Figura 6). En promedio, los filtros mostraron tener una reducción consecutiva en los valores de turbidez, teniendo el menor valor al terminar de filtrar los 9 L. A pesar de que, el filtro 1 presentó 40 un mayor valor inicial promedio, los valores fueron mayores que el filtro 2, en el que se pudo apreciar que el filtro 2 tiene una mayor reducción de turbidez que el filtro 1. Presentando una mayor turbidez final con una eficiencia de 34.2% y 38.8% para el filtro 1 y 2, respectivamente. Por lo que, el filtro 2 se considera más eficiente en la remoción de contaminantes, por presentar menores valores de turbidez. Figura 6 Reducción de turbidez con el transcurso de tiempo en horas para el filtro 1 y 2 en un rango de 60 - 70 UNT. La reducción de turbidez a este rango fue mucho mayor que a un rango de turbidez de 60 - 70 UNT (Figura 7). El filtro 1 mostró un aumento de turbidez a los 3 L filtrados, cuando el primer litro filtrado fue menor. Esto se debe a que el filtro contenía agua anteriormente filtrada de la llave, con una turbidez por debajo de los 5 UNT. Es decir, que el agua de salida del filtro en el primer litro es una combinación entre agua de la llave y el agua cruda con turbidez de 60 - 70 UNT. Por lo que la turbidez fue menor a los siguientes litros. Además, el agua al ser retenida por un tiempo dentro del filtro permite que las partículas del agua se adhieran de una mejor manera en los sustratos. Teniendo como 35 40 45 50 55 60 65 70 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tu rb id ez ( U N T) Litros Filtro 1 Filtro2 41 resultado, una menor carga orgánica en los siguientes litros. Según Villarreal (2018), a medida que el agua sigue avanzando a través del medio filtrante el material es suspensión es removido por cernido y otros procesos como la adherencia, por lo que disminuye la turbidez y el color. Por otro lado, en los espacios vacíos del medio filtrante se llevan a cabo procesos de sedimentación. Sin embargo, la reducción de turbidez fue mayor en el filtro 1, teniendo una eficiencia de 81.7% con un tiempo de finalización cercano a las 6 horas. En el filtro 2 se apreció una buena reducción de turbidez de forma consecutiva. Sin embargo, presenta una menor remoción de turbidez que el filtro 1, teniendo una eficiencia de 79.6%. Aunque en el filtro 2 los valores son similares al filtro 1, presentó valores más altos en cuanto a la reducción de turbidez. Esto se debió que, al tener sustratos con un mayor tamaño de diámetro, se crea espacios abiertos, en el cual, el agua los atraviesa con mayor facilidad. A diferencia de tener sustratos con un menor diámetro, donde los poros son más pequeños reteniéndose el agua por un mayor tiempo. La arcilla caolín, según los mineralogistas e investigadores del suelo, tienen un tamaño menor a 2 μm (Mendoza, 2018). Al presentar este tamaño, muchas partículas no lograron ser adheridas en su totalidad en la grava. En el cual, el agua pasaba por estos espacios creados por los minerales. Esto también lo corroboró Sánchez (2017), donde al filtrar agua en un filtro colocando ferrocemento con diámetros entre 2.5 cm y 0.3 cm explicó que las partículas con un tamaño mayor a 80 μm se eliminaron por completo. Sin embargo, para partículas entre 10-80 μm la eficiencia de eliminación estuvo alrededor de un 90% y descendió, siendo difícil la eliminación con partículas menores a 2 μm. La principal diferencia entre los rangos de turbidez fue que para un rango de 210-230 UNT, hubo una mayor reducción comparado al rango de 60-70 UNT. Lo cual se debe que, al tener menos material presente en el agua, la adherencia es menor. En la investigación de Meléndez (2020), por 42 medio de un filtro utilizando arena fina, gravilla, carbón activado y grava la eficiencia de remoción en turbidez fue de 56%, siendo su turbidez inicial de 5 UNT. Figura 7 Reducción de turbidez con el transcurso de tiempo en horas para el filtro 1 y 2 en un rango de 210- 230 UNT. Parámetro de Calidad: Color El color aparente inicial a una turbidez de 60-70 UNT fue diferente en las tres repeticiones para los dos filtros (Cuadro 4). Mientras que para el rango de turbidez de 210-230 UNT al ser una mezcla entre el agua cruda y la arcilla caolín, aumentó la cantidad de sólidos en la solución y suspendidos, dando un color aparente mayor a 500 mg Platino-Cobalto. No se pudo identificar la cantidad exacta de color, ya que el espectrofotómetro que se utilizó en las pruebas solo puede medir valores entre 0-500 mg Platino-Cobalto. 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tu rb id ez ( U N T) Litros Filtro 1 Filtro 2 43 Cuadro 4 Eficiencia de remoción para color aparente en los filtros 1 y 2 en rangos de 60-70 UNT y 210-230 UNT Volumen filtrado (L) 60-70 UNT 210-230 UNT Filtro 1 Filtro 2 Filtro 1 Filtro 2 R. 1 R. 2 R. 3 R. 1 R. 2 R. 3 R. 1 R. 2 R. 3 R. 1 R. 2 R. 3 Inicial mg/L Pt-Co 206 188.5 164 206 178 157 >500 >500 >500 >500 >500 >500 1 % 33.5 8.2 20.1 30.1 21.6 18.5 64.4 52.5 66.3 61.4 59.7 59.4 3 % 25.2 27.9 12.8 32.0 28.3 22.3 58.2 57.5 62.1 62.4 60.3 63.6 5 % 28.6 32.6 21.3 33.9 32.2 25.5 58 56.4 65.5 66.4 63.6 59.2 7 % 34.9 33.2 24.4 40.3 33.9 26.1 61.6 64 63.7 66.4 70.2 62.6 9 % 43.5 34.8 26.8 44.2 40.1 28.7 65.6 83.4 73.5 67.6 77.5 71.7 General % 34.9 32.1 25.6 37.1 31.7 26.1 65.2 60.2 66.6 65.2 61 62.4 Nota. Repeticiones del experimento (R.). Los filtros muestran el mismo comportamiento en remoción de turbidez por tener las sustancias presentes en la solución (Figura 8). Esta relación la evidenció Martínez et al. (2020), con su investigación de turbidez como parámetro indicador de tratamiento en una planta potabilizadora municipal. Donde hubo una relación directa entre la remoción de color y turbidez. Sin embargo, el filtro 1 mostró valores más altos que el filtro 2. Mientras que el filtro 2, tuvo resultados menores en valor de color aparente. Lo cual indica, que es más capaz de remover los sólidos suspendidos y disueltos en el agua que el filtro 1 por tener una mayor adherencia en los sustratos. Por estos resultados se comprobó que los resultados de turbidez y color son los mismos en cuanto a tener una mayor remoción para el filtro 1. 44 Figura 8 Efecto del color aparente con respecto al tiempo de filtración para el filtro 1 y 2 en un rango de 60-70 UNT. El color aparente a una turbidez de 210-230 UNT mostró una similitud en la remoción de turbidez (Figura 9). Sin embargo, el filtro 1 mostró un menor valor en el color aparente, lo cual se debe a la retención del agua dentro del filtro, permitiendo que los sólidos se acentúen en los sustratos, donde tiene una mejor adhesión a los minerales. Los resultados del filtro 2 mostraron un patrón descendente. Sin embargo, a pesar de que la diferencia no es alta, el filtro 1 presentó una menor turbidez en el último litro. Por último, los dos filtros mostraron que en el último litro filtrado es donde se presentó el valor más bajo de turbidez, teniendo una relación con la velocidad en que se filtró el agua. 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 C o lo r (m g P t- C o ) Litros Filtro 1 Filtro 2 45 Figura 9 Efecto del color aparente con respecto al tiempo de filtración para el filtro 1 y 2 en un rango de 210- 230 UNT. Parámetro de Calidad: Potencial de Hidrogeno Los valores iniciales del agua cruda a un rango de 60-70 UNT en el pH están dentro del rango donde es recomendable para consumo humano (Cuadro 5). Sin embargo, se presentó una disminución en los dos filtros para cada repetición donde ya no está dentro de un rango óptimo para consumo. Esto también se presentó para el rango de 210-230 UNT, donde los valores obtenidos están levemente por debajo de la neutralidad recomendada para consumo humano. Estos mismo resultados también fue analizado por Añazco (2020), donde el agua cruda analizada tuvo un pH de 7. Sin embargo, al finalizar de filtrar el agua por medio de un filtro de arena y arena+carbón activado fue de 5 y 6.1, respectivamente. Se comprueba que, al haber un contacto directo con los sustratos con diferente pH al agua cruda, los resultados finales tuvieron una influencia en el cambio de pH. Además, el pH de los sustratos tiene valores diferentes al agua cruda de entrada, que entre 4 a 8, cambiando indirectamente el pH del agua ya filtrada (Infoagro, 2017). 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 C o lo r (m g P t- C o ) Litros Filtro 1 Filtro 2 46 Además, Hernández et al. (2017) mencionan que, el cambio de pH también puede verse afectado por los grupos químicos de los carbones activados los cuales alteran a los líquidos que son añadidos. Por lo que resulta necesario pulverizar este mineral sin secar. Sin embargo, al presentar un cambio en su composición para transformarse de un mineral vegetal en activado se produce una modificación química del material adsorbente lo cual origina una disminución. Cuadro 5 pH en los filtros 1 y 2 en rangos de 60-70 UNT y 210-230 UNT. Volumen filtrado (L) 60-70 UNT 210-230 UNT Filtro 1 Filtro 2 Filtro 1 Filtro 2 R. 1 R. 2 R. 3 R. 1 R. 2 R. 3 R. 1 R. 2 R. 3 R. 1 R. 2 R. 3 Inicial 7.3 6.7 6.7 7.3 6.7 6.7 7.1 7.3 7.3 7.1 7.3 7.4 1 6.2 5.5 5.9 6.1 5.5 5.9 6 6.0 5.9 5.9 5.9 5.9 3 6.1 5.7 6.3 6.1 5.6 6.2 6.2 6.1 6.1 6.3 6.1 6.2 5 6.3 5.8 6.0 6.3 5.8 6.3 6.1 6.1 6.1 6.6 6.2 5.9 7 6.5 5.9 6.3 6.4 5.7 6.3 6.2 6.2 5.8 5.9 6.3 6.1 9 6.4 5.9 6.2 6.6 6.3 6.5 5.8 5.9 6.1 6.2 6.5 6.1 General 6.4 6.1 6.5 6.5 6.1 6.6 6.4 6.5 6.2 6.7 6.7 6.4 Nota. Repeticiones del experimento (R.). Parámetro de Calidad: Conductividad Eléctrica Este parámetro se relaciona con la concentración de sales en el agua, esta disociación genera iones capaces de transportar corriente eléctrica (Solís et al., 2018). En cuanto a los resultados iniciales, no son similares en las tres repeticiones para los filtros en los dos rangos de turbidez (Cuadro 6). Donde en la repetición uno a rango de 60-70 UNT, hubo un aumento en el primer litro filtrado que fue mayor al valor inicial. Esto también sucede a un rango de 210-230 UNT en la repetición dos y tres. Este aumento se debe al caudal volumétrico que entra al filtro. El cual, al ingresar una mayor cantidad de agua a los filtros la cantidad de sólidos retenidos anteriormente sedimentados, se dispersan. Según Espinoza y Trejo (2013), al aumentar el caudal volumétrico en que ingresa el agua al filtro, la capa de sólidos retenidos se dispersan, lo cual, hace que la capa de arena se desordene haciendo que el agua 47 de salida del filtro contenga sólidos suspendidos. Esto provoca, una pérdida de eficiencia en el agua filtrada. Cuadro 6 Conductividad eléctrica en los filtros 1 y 2 en rangos de 60-70 UNT y 210-230 UNT Conductividad eléctrica (uS/cm) Volumen filtrado (L) 60-70 UNT 210-230 UNT Filtro 1 Filtro 2 Filtro 1 Filtro 2 R. 1 R. 2 R. 3 R. 1 R. 2 R. 3 R. 1 R. 2 R. 3 R. 1 R. 2 R. 3 Inicial 142.8 110.3 110.4 142.8 110.4 112.6 162.9 159.1 163.1 162.9 159.5 157.5 1 192.3 96.1 100.1 172.5 119.8 137.2 209 149.4 198 177.3 140.4 175.4 3 127.8 84.1 88.6 134.8 78.7 95.4 138.5 124.8 133.1 143 124.2 136.6 5 118.9 85.3 88.7 121.3 68.5 87.4 128.5 123.9 124.9 133.6 119.9 148.6 7 114.2 85.3 86.1 117 65.5 101.8 120.4 121.1 133.2 131.9 117.8 123.6 9 113.4 85.3 85.8 116.8 66.9 97.7 128.1 146.1 121 122.6 158.7 119.9 General 135.7 87.9 92.4 137.2 86.2 105.5 143.4 135.6 144.9 137.4 131.4 145.5 Nota. Repeticiones del experimento (R.). Parámetro de Calidad: Sólidos Totales Disueltos La cantidad de sólidos totales disueltos al estar relacionada con conductividad eléctrica presentó valores similares en eficiencia (Cuadro 7). El filtro 1 para los dos rangos de turbidez, mostró valores de eficiencia más altos que el filtro 2, por lo que, se comprobó que este filtro remueve una mayor cantidad de contaminantes presentes en el agua. Además, se demostró que los primeros litros en filtrarse son los que pueden presentar una menor eficiencia de remoción. Al contrario, del noveno litro filtrado, que a pesar de que los resultados son mayores, no presentaron una buena eficiencia de remoción. Por otro lado, por medio de las muestras generales se demostró una similitud en los filtros y en los rangos de turbidez. 48 Cuadro 7 Eficiencia de remoción para sólidos totales disueltos en los filtros 1 y 2 en rangos de 60-70 UNT y 210-230 UNT. STD (ppm) Volumen filtrado (L) 60-70 UNT 210-230 UNT Filtro 1 Filtro 2 Filtro 1 Filtro 2 R. 1 R. 2 R. 3 R. 1 R. 2 R. 3 R. 1 R. 2 R. 3 R. 1 R. 2 R. 3 Inicial 99.5 78.4 79.9 99.5 78.5 79.9 116 115 115 116 114 112 1 137 60.5 67.8 123 85.1 97.6 148 106 140 126 98.4 125 3 91.30 58.3 61.3 95.8 55.9 67.6 98.4 88.5 94.5 102 88.6 96.8 5 84.6 55.9 58.9 86.2 48.6 61.9 91.1 87.3 88.5 94.9 85.1 106 7 81.2 58.1 58 83 46.4 72.4 85.6 86.3 94.4 92.1 83.7 87.8 9 80.6 58.1 57.4 82.9 47.5 69.4 91 103 85.2 86.9 113 84.7 General 96 58.4 60.9 97.3 61.2 74.9 102 94.7 103 104 93.4 103 Nota. Repeticiones del experimento (R.). El filtro que posee una mayor eficiencia de remoción es el 2 (Cuadro 8). Debido a que su media es mayor que la del filtro 1 para parámetros de calidad como turbidez, color, y conductividad eléctrica. Sin embargo, en el caso de los sólidos totales disueltos, el filtro 1 tuvo una mayor eficiencia, ya que, hubo una mayor retención de partículas presentes en el agua al pasar por este tratamiento. En la desviación estándar sucede lo mismo, donde el filtro 2 presentó una mayor variación en los parámetros, excepto en sólidos totales disueltos. Aunque, el filtro 2 obtuvo mejores porcentajes que el filtro 1 en los distintos parámetros, el coeficiente de variación tuvo mayores valores. Por lo que, se infiere que hubo factores que pudieron interferir en un correcto control del experimento, como análisis en laboratorio. Los mínimos valores de eficiencia fueron por parte del filtro 1, mientras que, el valor máximo fue en el filtro 2, con excepción de los sólidos totales disueltos. Por último, los errores estándares fueron bajos en cuanto a turbidez y color, siendo los mayores en conductividad eléctrica y sólidos totales disueltos al estar relacionados. 49 Cuadro 8 Descripción de los parámetros de calidad de los filtros 1 y 2 en un rango de 60-70 UNT. Filtro 1 Filtro 2 Turbidez Color C.E STD Turbidez Color C.E STD % % µs/cm ppm % % µs/cm ppm Media 32.26 30.9 105.3 71.8 33.9 31.6 109.6 77.8 D.E 3.3 4.8 26.4 21 3.8 5.5 25.8 18.2 Var (n) 7.4 15.4 464.4 294.7 9.5 20.2 442 221.4 C.V 10.3 15.5 25.1 29.3 11.2 17.4 23.5 23.4 Mín 28.6 25.6 87.9 58.4 29.3 26.1 86.2 61.2 Máx 35.1 34.9 135.7 96 35.9 37.1 137.2 97.3 E.E 1.9 2.8 15.2 12.1 2.2 3.2 14.9 10.5 Nota. Desviación estándar (D.E). Variación de la muestra (Var(n)). Coeficiente de variación (C.E). Valor mínimo (Mín). Valor Máximo (Máx). Error estándar (E.E). Conductividad eléctrica (C.E). Sólidos totales disueltos (STD). Para este rango de turbidez el filtro que presentó una mayor eficiencia de remoción fue el filtro 1 en todos los parámetros de calidad (Cuadro 9). Sin embargo, en desviación estándar el filtro 1 mostró una mayor variabilidad para turbiedad y color. Mientras que, el filtro 2 tuvo mayor variabilidad para conductividad eléctrica y sólidos totales disueltos. Esto se debe a que su eficiencia fue cambiando a medida que el agua presentaba más partículas sedimentadas por evaluar el filtro en diferentes días. Por medio del coeficiente de variación, se pudo demostrar que hubo un mejor control en parámetros de turbiedad y color aparente en los dos filtros. Mientras que, en el resto de los parámetros se debería realizar más repeticiones para así tener un mejor manejo en los resultados y reducir la variabilidad. Los valores mínimos en turbiedad y color fue en el filtro 1, y conductividad eléctrica y sólidos totales disueltos en el filtro 2. Los mayores valores se dieron en el filtro 2. Finalmente, en cuanto a error estándar, los resultados de los parámetros para el filtro 1 y 2 fueron bajos. 50 Cuadro 9 Descripción de los parámetros de calidad de agua de los filtros 1 y2 en un rango de 210-230 UNT. Filtro 1 filtro 2 Turbidez Color C.E STD Turbidez Color C.E STD % % µs/cm ppm % % µs/cm ppm Media 75.3 64 141.3 99.9 74.3 62.9 138.1 100.1 D.E 3.2 3.4 4.99 4.5 1.2 2.1 7.08 5.9 Var (n) 6.8 7.6 16.62 13.7 1.0 3.1 33.4 22.8 C.V 4.3 5.3 3.53 4.6 1.7 3.4 5.1 5.8 Mín 73.0 60.2 135.6 94.7 73.2 61 131.4 93.4 Máx 78.9 66.6 144.9 103 75.7 65.2 145.5 104 E.E 1.8 1.9 2.9 2.6 0.7 1.2 4.1 3.4 Nota. Desviación estándar (D.E). Variación de la muestra (Var(n)). Coeficiente de variación (C.E). Valor mínimo (Mín). Valor Máximo (Máx). Error estándar (E.E). Conductividad eléctrica (C.E). Sólidos totales disueltos (STD). Para pH, resulta favorable que los valores estén cerca de ser neutros (Cuadro 10). Para rango de 60-70 UNT, el filtro 1 presentó una menor media, siendo el filtro 2 el que resulta mejor para filtrar el agua. Sin embargo, este fue el que presentó una mayor desviación estándar, aunque los resultados fueron mínimos. En coeficiente de variación para los dos filtros se presentaron valores que estuvieron en el rango para categorizarlo con un experimento controlado, es decir, menos del 10%. En cuanto a valores mínimos, el filtro 2 presentó este valor. Por último, los errores que presentaron en este experimento fueron mínimos. Para turbidez de 210-230 UNT, el filtro 2 presentó un mayor valor que el filtro 1, teniendo un valor cerca de un pH neutro. En cuanto a la desviación estándar, los dos filtros presentaron los mismos valores. Para este rango el coeficiente de variación fue menor que a un rango de 60-70 UNT, sin embargo, también se lo consideró como un parámetro que tuvo un buen control al momento de medirlo. Como valor mínimo el filtro 1, fue el que estuvo cerca de un pH 6, mientras que para valores máximos el filtro 2, presentó valores cerca de 7, por lo que, está dentro de los rangos óptimos para consumo. Por último, el error estándar presentados en los filtros fueron mínimos. 51 Cuadro 10 Descripción de pH de los filtros 1 y 2 en rangos de turbidez de 60-70 UNT y 210-230 UNT. 60-70 UNT 210-230 UNT Filtro 1 Filtro 2 filtro 1 filtro 2 Media 6.3 6.4 6.4 6.6 D.E 0.2 0.3 0.2 0.2 Var (n) 0.03 0.1 0.02 0.02 C.V 3.4 4.7 2.8 2.5 Mín 6.1 6.1 6.2 6.4 Máx 6.5 6.6 6.5 6.7 E.E 0.1 0.2 0.1 0.1 Nota. Desviación estándar (D.E). Variación de la muestra (Var(n)). Coeficiente de variación (C.E). Valor mínimo (Mín). Valor Máximo (Máx). Error estándar (E.E). Se observó que no hubo diferencias significativas entre los filtros. Por lo que, tanto el filtro 1 y 2 en términos estadísticos tuvieron la misma eficiencia de remoción en los dos rangos de turbidez (Cuadro 11). Estos resultados se los puede comparar en la investigación de Burgos y Agudo (2015), donde se filtró agua para tratamiento de aguas recolectadas de pozo para consumo humano, por medio de un diseño de filtro con una altura de 40 cm que contenía zeolita. Los resultados no fueron favorables, en el que, tuvo una eficiencia de remoción de 32.1% en parámetros fisicoquímicos. Por otro lado, Rodríguez et al. (2018), basó su investigación en la construcción de un filtro compuesto de tres capas, siendo la primera de grava, la segunda de piedra chispa y la tercera de arena. En el cual, concluyó obteniendo resultados con una eficiencia de 87.6% en turbidez. Cuadro 11 Comparación de medias entre el filtro 1 y 2 en rangos de turbidez de 60-70 UNT y 210-230 UNT. Turbidez 60-70 UNT Turbidez 210-230 UNT Unidades F1 F2 Probabilidad F1 F2 Probabilidad Turbiedad % 32.3 33.7 0.7 75.3 74.3 0.7 Color % 30.9 31.6 0.9 64 62.9 0.7 pH - 0.6 0.5 0.8 0.9 0.7 0.4 C.E µs/cm 105.3 109.6 0.9 141.3 138.1 0.6 STD ppm 71.8 77.8 0.7 99.9 100.1 0.9 Nota. Conductividad eléctrica (C.E). Sólidos totales disueltos (STD). Filtro 1 (F1). Filtro 2 (F2). 52 Por último, al terminar todo el proceso de filtración en los filtros se consideró las cantidades de perdida que hubo al momento de pasar el agua a través de los sustratos. Para una turbiedad de 60-70 UNT, el filtro 1 tuvo una cantidad de perdida de agua de 0.1% (0.01 L), filtrando un total de 8.9 L en un tiempo de filtración de hasta cuatro horas. Para el filtro 2 el valor fue de 1.6% (0.15 L), teniendo una cantidad final de 8.8 L en un tiempo de filtración que osciló entre 3-3h30 horas. Se comprobó que, el filtro 2 tuvo una mayor cantidad de perdida de agua que el filtro 1. Esto se debió a que en el filtro 1 hay una retención de agua dentro por medio de los sustratos. Por lo que, el agua retenida anteriormente por lavados del filtro tiende a salir al filtrar el agua cruda, teniendo perdidas mínimas de agua. Mientras que el filtro 2, al no retener agua en su estructura, esta pasa a ocupar los espacios porosos de los sustratos que no se encuentran saturados de agua completamente. Para el rango de turbidez de 210-230 UNT, presentó el mismo comportamiento. Por parte del filtro 2 hubo una mayor pérdida de agua filtrada con un porcentaje de 1.5% (0.03 L), filtrando un total de 8.97 L en un tiempo de filtración de cinco horas. Mientras que el filtro 1, tuvo una pérdida de 0.4% (0.13 L), teniendo una cantidad filtrada de 8.87 L cerca del mismo tiempo de filtración que el filtro 2. Para este rango de turbidez el tiempo de filtración fue similar para los dos filtros debido a problemas de obstrucción por parte de la llave de agua para la salida de agua en el recipiente de agua para el filtro 2. En el que, como resultado, demoró el proceso de filtración. 53 Conclusiones Mediante revisión literaria se infirió que los factores más importantes en la eficiencia de los filtros de arena es el tamaño de construcción de los filtros, debido a que los filtros con diámetros mayores a 30 cm obtuvieron mejores resultados en cuanto a la reducción de turbiedad. Los filtros 1 y 2 presentan velocidades de filtración óptimas para filtros lentos de arena. Sin embargo, hay una mayor velocidad de filtración en el filtro 2, debido a no retener agua en su estructura como lo hace el filtro 1. Los filtros reducen turbidez y color en un 30% para un rango de 60-70 UNT y 70% para el rango de 210-230 UNT. Sin embargo, no cumplen con estándares de calidad para consumo humano. Indicando que es más efectivo usarlo para aguas con una turbidez mayor o igual a este rango o como un mecanismo de pretratamiento del agua. 54 Recomendaciones En futuros diseños, aumentar la cantidad de carbón activado, teniendo la altura que los sustratos de arena fina y arena gruesa de 24 cm o más, donde se pueda evaluar que los valores de color aparente tengan una mayor reducción. Se puede considerar un nuevo diseño con mayor diámetro para evaluar si existe una mayor eficiencia de remoción en los parámetros de calidad. Para aumentar la eficiencia de remoción de los filtros, se recomienda implementar un pretratamiento, el cual, consiste en incorporar arena fina o gruesa en los recipientes de plástico, donde el agua descanse por un tiempo considerable para luego ser filtrada. Se debe considerar la implementación de otros materiales filtrantes en la estructura de los filtros, como arenas con diámetros de menor tamaño, materiales caseros como fragmentos de ladrillo, arena de antracita o carbón vegetal. En la estructura que contiene el agua para filtrar, se recomienda cambiar los grifos de agua para que no presenten problemas de obstrucción y mantengan un volumen constante de salida. Para futuras investigaciones, considerar realizar experimentaciones para determinar a cuantos litros filtrados se debe realizar limpieza de los sustratos en los filtros. En el que, consiste en remover las partículas contaminantes adheridas que pueden disminuir su eficiencia de remoción en parámetros de calidad. 55 Referencias Acosta, F. y Calvo, H. (2006). Construcción y uso de un Filtro Lento de Arena, para Promover una Cultura de Consumo de Agua Potable en Estudiantes de Décimo Grado del Instituto … [Tesis, Universidad de los Llanos, Villavicencio]. 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