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UTILIZACION DE ALMIDON DE MAIZ COMO COAGULANTE NATURAL EN
ELPROCESO DE CLARIFICACION DE AGUA PARA CONSUMO HUMANO
ANTEPROYECTO
FERNANDO ANDRES MELO MAYASERGIO DAVID TORRES OVIEDO
UNIVERSIDAD DE NARIOFACULTAD DE INGENIERA
PROGRAMA DE INGENIERA CIVILSAN JUAN DE PASTO
2012
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INTRODUCCION
El agua es esencial para la vida y es necesaria para el
desarrollo econmico,sanitario y social de las poblaciones as como
para el mantenimiento del equilibriomedio ambiental de los
ecosistemas. As mismo el agua es un recurso esencialpara los seres
vivos, es el lquido vital para la sustentacin de la vida que
permitela sobrevivencia del ser humano en el planeta. Este recurso
se encuentra en lanaturaleza en distintas formas: nevados, lagunas,
cursos de aguas superficiales(riachuelos y ros) y agua subterrnea,
sin embargo en algunos de los casos elagua presenta impurezas y
coloracin y para removerlas se utiliza la clarificacin,la cual por
medio de un proceso de coagulacin-floculacin, es posible llevar
elagua a condiciones deseadas en la potabilizacin.
Para hacer el diseo de una planta de tratamiento de agua para
consumo humanoutilizando energas alternativas, es necesario
realizar una seleccin de losparmetros ptimos de los procesos y
operaciones unitarias que lo componen.Para este proceso es
necesario realizar ensayos de simulacin (Prueba de Jarras)para
determinar las caractersticas y eficiencia de los procesos de
coagulacin yfloculacin en trminos de la variacin del pH y de la
remocin de la turbiedad y elcolor, manipulando coagulantes
naturales (almidn de maz).
Generalmente las plantas de potabilizacin utilizan como
coagulantes las sales dealuminio o de hierro para desestabilizar
partculas coloidales; sin embargo lautilizacin de coagulantes
naturales hace que se reduzcan el consumo dereactivos qumicos,
presentan una mnima o nula toxicidad debido a que enmuchos casos se
utilizan como comestibles; de acuerdo a lo anterior lasalternativas
de tratamiento de agua basadas en la utilizacin de
coagulantesnaturales (Almidn de Maz) en los procesos de
clarificacin, se hace muyventajosa desde el punto de vista de
salubridad y economa.
Dentro de algunos coagulantes alternativos empleados, estn las
semillas de laplanta de Moringa Olefera, son diversos los
coagulantes naturales (papa, maz,trigo y yuca) que han sido
utilizados en la clarificacin de agua. Uno de estoscoagulantes
naturales es el almidn, el cual se encuentra en abundancia en
elreino vegetal (Tabla 1) y constituye la mayor reserva de
carbohidratos de lasplantas, el cual puede ser extrado de su fuente
con relativa facilidad, y los cualesdeben ser previamente sometidos
a un proceso inicial para lograr sugelatinizacin.
http://www.monografias.com/trabajos14/problemadelagua/problemadelagua.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos36/naturaleza/naturaleza.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/problemadelagua/problemadelagua.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/problemadelagua/problemadelagua.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/administ-procesos/administ-procesos.shtml#PROCEhttp://www.monografias.com/trabajos14/administ-procesos/administ-procesos.shtml#PROCEhttp://www.monografias.com/trabajos14/problemadelagua/problemadelagua.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/problemadelagua/problemadelagua.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos36/naturaleza/naturaleza.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/problemadelagua/problemadelagua.shtml
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En este trabajo de investigacin se presenta una propuesta
novedosa en eltratamiento de agua para consumo humano, mediante la
utilizacin de Almidn deMaz,como coagulante alternativo.
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1. TEMA
1.1. TituloUtilizacin de almidn de maz como coagulante natural
en el proceso declarificacin de agua para consumo humano.
1.2. Modalidad
El presente proyecto de Trabajo de Grado corresponde a la
modalidad deInvestigacin Aplicada.
1.3. rea
Aguas y Saneamiento Bsico
1.4. Lnea de Investigacin
1.5. Fuente
Proyecto Educativo del Programa de Ingeniera Civil.
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2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
2.1. Descripcin del ProblemaEl tratamiento de potabilizacin
convencional, comprende bsicamente laclarificacin del agua tras la
captacin mediante las etapas de coagulacin-floculacin,
sedimentacin, filtracin y desinfeccin1.
Dentro de la etapa de coagulacin en la mayor parte del mundo se
lo hace conla adicin de productos qumicos como el sulfato de
aluminio o sales de hierronecesarios para la desestabilizacin de
partculas coloidales. Por lo cual, tantolos pases desarrollados
como los pases en va de desarrollo, estn optandopor la utilizacin
de coagulantes naturales para plantas de potabilizacin
convencionales, y tratamiento de aguas residuales. En la
actualidad, el uso decoagulantes de origen sinttico para la
potabilizacin, tales como el Sulfato deAluminio o el Cloruro Frrico
tambin es cuestionada debido entre otrosmotivos a2:
Los problemas medioambientales que conlleva, fundamentalmente
degeneracin de lodos txicos que no pueden ser utilizados en la
agricultura3.
La relacin con la enfermedad de Alzheimer4. Empeoramiento de
enfermedades neurodegenerativas5. Relacin con el cncer6.
Adems la utilizacin de coagulantes de origen qumico presentan un
factorlimitante en la aplicacin de la tecnologa de potabilizacin
convencional, ya quelos reactivos qumicos pueden alcanzar un valor
econmico considerable si no sonproducidos a nivel local, lo que
incrementa considerablemente su costo.
1Schultz et al., 1983
2Van Benchosten et al., 1990, Boisvert et al., 1997; Najm et
al., 1998
3Christopher et al., 1995; Kaggwa., 2001 4Crapper et al., 1973;
Alfrey et al., 1976; Schecher et al.,1988; Crapper et al., 1980;
Davidson et
al., 1982; Gardner et al., 1991; Jekel, 1991)5(Miller, 1984;
Martyn et al., 1989)
6(Dearfield et al.,1964; Mccollister et al., 1964; Mallevialle
et al., 1984
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2.2. Formulacin del Problema
Cul es la incidencia del Alm idn de Maz, como coagulante natural
para laclarificacin de agua para consumo humano?
Al obtener un resultado satisfactorio con el Almidn de Maz, como
coagulantenatural, se reduciran los costos de operacin y
mantenimiento de una Planta dePotabilizacin, y se reducirn los
efectos nocivos sobre la salud, que puedegenerar el uso de
coagulantes artificiales como las sales de aluminio o de
hierro.
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3. OBJETIVOS DEL PROYECTO
3.1. Objetivo GeneralEstudiar la utilizacin del almidn de maz
como coagulante natural en elproceso de clarificacin de agua para
consumo humano.
3.2. Objetivos Especficos
Determinacin de caractersticas fsicas (turbiedad y color) y
qumicas(pH, Alcalinidad) del agua ya desarenada.
Analizar mediante el ensayo de jarras la dosis optima de
coagulante
natural para la clarificacin de agua para consumo humano.
Control de pH durante todo el ensayo de jarras.Determinacin del
tiempo de mezcla y gradiente de velocidad.
Determinacin de la cantidad de turbiedad y color removidos, con
ladosis optima de coagulante.
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4. JUSTIFICACION
La falta de agua potable es un problema que en la actualidad
afecta a ms de1500 millones de personas en todo el mundo,
principalmente a aquellas que vivenen pases en vas de desarrollo.
La solucin para mejorar la situacin sanitaria ycondiciones de vida
de la poblacin afectada, pasa por orientar la investigacinpresente
y futura al desarrollo de tcnicas innovadoras, eficaces,
sostenibles,econmicas, fiables y fciles de manejar, que sean
socialmente aceptadas por lacomunidad, y que permitan dotar de agua
de calidad a la poblacin7.
El contexto de nuestra regin y sus ventajas por la diversidad
vegetal y de floranos permite el estudio y el mejor aprovechamiento
de stos recursos en pro denuestro bienestar de este manera el
presente trabajo de investigacin propone la
utilizacin de Almidn de Maz, como coagulante natural, como una
alternativaorientada a mejorar la calidad del agua destinada al
consumo humano. Eldesarrollo de un protocolo sencillo de obtencin
del Almidn de Maz, permitir alos habitantes de las comunidades la
produccin del mismo in situ y su aplicacinpara la obtencin de agua
pura.
El trabajo de investigacin constituye el estudio de la
utilizacin del Almidn deMaz, como coagulante natural para la
clarificacin de aguas que ya han sidopreviamente desarenadas; esta
es una tecnologa ms sencilla, eficaz y de bajocosto, y que
reemplace a los coagulantes sintticos y por ende que reduzca
lasamenazas que estos presentan en la salud de las personas.
7Mintz et al., 2001
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5. MARCO TERICO
5.1. Antecedentes
5.1.1. Coagulantes Naturales
El tratamiento de potabilizacin convencional, comprende
bsicamente laclarificacin del agua tras la captacin mediante las
etapas de coagulacin-floculacin, sedimentacin, filtracin y
desinfeccin. Este tipo de instalacionesse caracterizan por un
importante desarrollo de infraestructura, personalcualificado para
su explotacin y adicin de productos qumicos necesariospara su
funcionamiento. Precisamente esta ltima caracterstica representa
unfactor limitante en la aplicacin de la tecnologa de potabilizacin
convencional,
ya que los reactivos qumicos pueden alcanzar un valor
econmicoconsiderable.8 Como alternativa, los pases en vas de
desarrollo, hanadaptado una serie de tecnologas tradicionales para
eliminar la turbidez delagua en el mbito domstico. De ellas la ms
estudiada es la utilizacin deextractos naturales de plantas para la
clarificacin del agua cruda.
Los coagulantes naturales son sustancias solubles en agua,
procedentes demateriales de origen vegetal o animal que actan de
modo similar a loscoagulantes sintticos, aglomerando las partculas
en suspensin que contieneel agua cruda, facilitando su sedimentacin
y reduciendo la turbidez inicial desta. Algunos de estos
coagulantes poseen adems propiedades
antimicrobianas, por lo que reducen o eliminan el contenido
demicroorganismos patgenos susceptibles de producir enfermedades.
Su origennatural, garantiza la inocuidad para el ser humano, y la
biodegradabilidad delos lodos producidos permite adems su
utilizacin en la agricultura. Suaplicacin, no solo puede ir
dirigida a pases en vas de desarrollo, sinotambin a potabilizacin
convencional y al tratamiento de aguas residuales.9
8Schultz et al., 1983
9Kawuamura, 1991; Lee et al., 1995; Ganjidoust et al., 1997;
Broekaert et al., 1997
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Tabla 2. - Polmeros naturales que tienen Propiedades Coagulantes
oFloculantes
Fuente: Teora y prctica de la Purificacin del agua. J. Arboleda
Valencia
Dentro de los coagulantes naturales de origen animal, el ms
estudiado es elChitosan. Es un buen coagulante capaz de eliminar
hasta el 99 % de laturbidez del agua cruda si se combina con
filtracin en lecho de arena y reducetambin el contenido en metales
pesados, fsforo y grasas del agua.10
De todos los coagulantes naturales, el coagulante primario de
origen vegetal
ms conocido y estudiado es la semilla de Moringa Oleifera; de
igual maneralos almidones presentan una amplia gama de
posibilidades. Su problemaconsiste en producir a partir de ellos
compuesto solubles en agua. Algunasmarcas comerciales de
polielectrolitos son simples derivados de almidones.
10Kawuamura, 1991
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El almidn es una fraccin importante de un gran nmero de
productosagrcolas, tales como cereales (maz, trigo, arroz) cuyo
contenido de este
carbohidrato es de 30-80%; leguminosas (frjol, chcharo, haba)
con 25-50%;tubrculos (papa, yuca) en los que el almidn representa
60-90%; y algunasfrutas como el pltano y el mango, que en su estado
verde o inmaduroalcanzan contenidos de almidn de hasta 70% en base
seca.11
En nuestro pas, especficamente en la Fundacin Universitaria
ManuelaBeltrn de Bogot D.C, ya se han hecho estudios sobre la
utilizacin del
Almidn de Maz, como coagulante natural, los resultados se
muestran en lasiguiente grafica:12
Figura 1- Resultados del Almidn de Maz como coagulante
NaturalFuente: .P Rodrguez M./ I.P. Lugo U. / A. V. Rojas C. / C.
Malaver C
11Flores et al., 2004
12J.P Rodrguez M./ I.P. Lugo U. / A. V. Rojas C. / C. Malaver C.
Evaluacin del proceso de
Coagulacin para el Diseo de una Planta Potabilizadora.
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En la grafica, al utilizarAlmidn de Maz como coagulante natural,
se observa quecon una dosis optima de 20 mg/L los resultados de
turbiedad, color y pH, se
encuentran por debajo de 1,0 UNT, 25 UPC y 5,38 respectivamente,
siendo estosvalores propicios para las carreras de filtracin,
debido a que estas serian mslargas y por consiguiente los lavados
de la unidades de filtros ms extensas.
En la Universidad de Nario, se est llevando a cabo un estudio
sobre lautilizacin de la Moringa Oleifera como coagulante natural
para la clarificacin deagua potable, la cual nos est sirviendo como
referencia para el trabajo quepresentamos ahora.
5.2. Marco Terico
CALIDAD DEL AGUA
El trmino calidad de agua se refiere al conjunto de parmetros
que indican que elagua puede ser usada para diferentes propsitos
como: domstico, riego,recreacin e industria.
Es de vital importancia, tanto para la salud humana como para el
bienestar de lasociedad, contar con un abastecimiento seguro y
conveniente, de satisfaccinpara el consumo humano, y la higiene
personal debe ceirse a normas adecuadasen cuanto a disponibilidad,
cantidad, calidad y confiabilidad del abastecimiento.
En Colombia, los parmetros para todo uso domstico los establece
elReglamento tcnico del sector de agua potable y saneamiento bsico
RAS2000por medio del Decreto 475 de marzo 10 de 1998. Su objetivo
es de proteger lasalud pblica mediante establecimiento de los
niveles adecuados o mximospermisibles que puedan representar riesgo
para la salud de la comunidad.
PROCESO DE POTABILIZACIN
El agua destinada a la bebida y a la preparacin de alimentos
debe estar exenta
de microorganismos capaces de provocar enfermedades, y de
sustanciasminerales y orgnicas que puedan ocasionar efectos
fisiolgicos perjudiciales. Elagua denominada potable, debe ser
aceptable desde el punto de vista esttico,es decir, debe estar
exenta de turbidez, color y sabor perceptibles, as como desabores
desagradables y debe tener una temperatura razonable.
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As pues, potabilizar el agua, consiste en aplicar una serie de
tratamientos yacondicionamientos que eliminen los slidos, la
turbidez y todos los agentes
patgenos presentes en ella capaces de producir enfermedades.El
tipo de tratamiento a aplicar depende, entre otros, de las
caractersticas y origendel agua a tratar as como de los medios y
recursos disponibles.
Figura 2- Etapas Planta tratamiento convencional
Este proceso trae consigo altos costos es por eso que regiones
de nuestro pascarecen de un sistema de tratamiento, de suministro y
distribucin, los medioseconmicos limitados y la escasez de agua,
dificultan la aplicacin de unatecnologa convencional especfica. En
otros casos, la necesidad de productosqumicos y otros medios
materiales que no se pueden obtener con facilidad a nivellocal a un
coste razonable, impiden su aplicacin. Esta circunstancia, obliga a
laspoblaciones a abastecerse directamente de aguas superficiales
procedentes de
ros y vertientes, sin ningn tipo de tratamiento.Es por esto que
en estas regiones se suelen usar distintas tecnologas detratamiento
y almacenamiento domiciliario de agua que son accesibles, simples
yeconmicas como los coagulantes naturales.
Coagulacion
Floculacion
Sedimentacion
Filtracion
Desinfeccion
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Los coagulantes naturales son usados para el proceso de
clarificacin
(Floculacin, Coagulacin, Sedimentacin) en donde las variables
que influyen en
este proceso son:
Turbidez: Cantidad y densidad de lodo.
Color: Cantidad de coagulante, floculante.
Alcalinidad y pH: Coagulacin, floculacin.
Temperatura.
COAGULANTE NATURAL ALMIDON DE MAIZEl almidn de maz es
considerado como un polmero orgnico o polielectrolitonatural que se
obtiene por medio del aislamiento a partir del producto
naturalmediante tcnicas como la extraccin o la precipitacin su
estructura consiste enunidades idnticas de bajo peso molecular
qumicamente combinadas para formaruna molcula grande de tamao
coloidal; cada unidad porta cargas elctricas ogrupos ionizables.
Los polielectrlitos a menudo se clasifican por el tipo de cargaque
portan. As los polmeros que poseen cargas negativas son amnicos;
los queposeen cargas positivas, catinicos y los que portan ambas
cargas, positivas y
negativas, son anftericos.Un efecto colateral potencialmente
nocivo de algunos polielectrlitos naturales, essu predisposicin a
incrementar el crecimiento de bacterias en el agua tratada.
Se ha demostrado coagulantes naturales, inicialmente eliminaron
las bacterias delagua, pero despus de varias horas el nmero de
bacterias aument ligeramente(Jahn, 1979). Este fenmeno se atribuy
al material orgnico presente lo queproporciona un sustrato
adicional para el crecimiento de las bacterias. Sinembargo, la
desinfeccin adecuada del agua tratada eliminar losmicroorganismos;
incluyendo, por supuesto, las bacterias.
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COAGULACIN Y FLOCULACIN
Si el agua contiene slidos en suspensin, la coagulacin y la
floculacin pueden
utilizarse para eliminar gran parte del material. En la
coagulacin, se agrega una
sustancia al agua para cambiar el comportamiento de las
partculas en
suspensin. Hace que las partculas, que anteriormente tendan a
repelerse unas
de otras, sean atradas las unas a las otras o hacia el material
agregado. La
coagulacin ocurre durante una mezcla rpida o el proceso de
agitacin que
inmediatamente sigue a la adicin del coagulante.
El proceso de floculacin que sigue a la coagulacin, consiste de
ordinario en una
agitacin suave y lenta. Durante la floculacin, las partculas
entran ms encontacto recproco, se unen unas a otras para formar
partculas mayores que
pueden separarse por sedimentacin o filtracin.
Esto genera una precipitacin en donde es posible obtener un
efluente limpio,
substancialmente exento de materia en suspensin o en estado
coloidal, ste,
como cualquier otro fenmeno natural est regido por diversos
factores de los
cuales los principales son:
Mezclado.
Estabilidad de los coloides.
Tiempo de retencin.
Velocidad de sedimentacin.
DOSIFICACION OPTIMA DE COAGULANTES (Prueba de jarras)
Las pruebas de jarras se utilizan para la determinacin de las
dosis ms efectivas
de coagulante para una muestra de agua especfica, ya que estas
se utilizan
comnmente para el control del proceso de coagulacin-floculacin
en una planta
de tratamiento. Este equipo consiste en un set de agitadores
mecnicos
controlados por un aparato que regula su velocidad.
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En este procedimiento es necesario hacer un seguimiento de la
turbiedad, pH, y
color, para corroborar el efecto del coagulante en las
muestras.
Determinacin del pH: La prueba de jarras se conduce
usualmente
aadiendo en primer lugar la misma dosis de coagulante y variando
el pH
en cada jarra. La prueba de jarras se repite luego manteniendo
el pH
constante variando la dosis de coagulante.
Este proceso se describe en la NORMA TCNICA COLOMBIANA NTC 3651
en
donde se establecen los principios y los mtodos para la
determinacin del pH encualquier tipo de agua.
Turbiedad: Este parmetro es de vital importancia para conocer la
cantidadde material sedimentado y el valor aceptable para poder
pasar a lasiguiente etapa.
Este proceso se describe en la NORMA TCNICA COLOMBIANA NTC 4707
endonde se especifica el mtodo nefelometrico para determinar la
turbiedad en el
agua.
Color: El color del agua depender tanto de las sustancias que
seencuentren disueltas, como de las partculas que se encuentren
ensuspensin. Se clasifica como color verdadero al que depende
solamente
el agua y sustancias disueltas, mientras el aparente es el que
incluye las
partculas en suspensin (que a su vez generan turbidez). El color
aparentees entonces el de la muestra tal como la obtenemos en el
sistema aestudiar. Para determinar el color verdadero, sera
necesario filtrarla para
eliminar todas las partculas suspendidas.
Este proceso se describe en la NORMA TCNICA COLOMBIANA NTC
5844
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5.3. Marco Legal
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6. METODOLOGIA
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7. RESULTADOS ESPERADOS
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8. RECURSOS DE LA INVESTIGACION
8.1. Presupuesto
8.2. Anlisis de Precios Unitarios
