FACULTAD DE CIENCIAS AMBIENTALES CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL “EFECTO DE LA TURBIDEZ EN LA RETENCIÓN DEL PLOMO CON EL SISTEMA DE RIEGO KONDENSKOMPRESOR” Tesis para optar el título profesional de: INGENIERA AMBIENTAL Presentado por: YAZMÍN ALEJANDRA LEÓN CASÓS Asesor: Armando Vélez Azañero LIMA – PERÚ 2018 FACULTAD DE CIENCIAS AMBIENTALES CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL “EFECTO DE LA TURBIDEZ EN LA RETENCIÓN DEL PLOMO CON EL SISTEMA DE RIEGO KONDENSKOMPRESOR” Tesis para optar el título profesional de: INGENIERA AMBIENTAL Presentado por: YAZMÍN ALEJANDRA LEÓN CASÓS Asesor: Armando Vélez Azañero LIMA – PERU 2018 INDICE I. Acta de Sustentación…………………………………………………2 II. Dedicatoria …………………………………………………………….3 III. Agradecimientos ……………………………………………………...4 IV. Resumen……………………………………………………………….5 V. Abstract…………………………………………………………………6 VI. Versión aprobada del artículo científico para publicar…………….7 VII. Versión inicial del artículo científico enviada a publicar…………..24 VIII. Respuesta a las observaciones de los revisores…………………..40 IX. Abreviaturas……………………………………………………………45 X. Anexos:…………………………………………………………………46 Anexo 1. Carta de aceptación del artículo científico. Anexo 2. Copia de aprobación de Comité de Ética del artículo científico. Anexo 3. Copia de resolución de aprobación del proyecto de tesis. Anexo 4. Instrumentos usados en la investigación y demás información de utilidad. 1 I. ACTA DE SUSTENTACIÓN 2 I. DEDICATORIA A mi madre Hilda, por haberme apoyado y motivado a culminar con esta investigación y por haber sido mi principal ejemplo y soporte durante todos mis estudios. A mi padrino Elmer por haberme apoyado en mis estudios universitarios y por haber motivado mi superación personal y profesional. Finalmente a mis maestros, los cuales forjaron los conocimientos que puse en práctica durante esta investigación. 3 II. AGRADECIMIENTOS Agradezco especialmente a mi asesor Armando Vélez por el tiempo y trabajo invertido en asesorar esta investigación, a Carlos Acosta por su apoyo con el análisis estadístico de los datos y a Sabrina Ruiz por su apoyo en la fase de campo. 4 III. RESUMEN El objetivo de la presente investigación fue determinar el efecto de la turbidez en la retención de plomo con el sistema de riego Kondenskompresor, con la finalidad de mejorar la calidad y rentabilidad de los cultivos, el agua y el suelo para los pequeños agricultores (fundos menores a 20 ha). Se realizaron 30 sistemas Kondenskompresor con diferentes valores de turbidez durante ocho días. Se midieron los parámetros de turbidez, conductividad eléctrica, volumen destilado y concentración de plomo retenido. Los resultados demostraron que la turbidez no se relacionó significativamente con el volumen destilado (p: 0,66) ni presentó correlación significativa con el pH (r: -0,283); aunque su correlación con la conductividad eléctrica y (r: 0,98; p<0,05) y el plomo fue mayor al 95% (r: 0,95; p<0,05); debido a la presencia de solidos suspendidos totales y solidos disueltos, además del contenido de materia orgánica que presenta una gran capacidad para adsorber plomo. El valor de eficiencia en todos los sistemas fue de 87%, ya que parte del plomo pudo precipitar y adherirse a los contenedores antes de la cuantificación. Palabras clave: Destilación solar, Kondenskompresor, Plomo y Turbidez. 5 IV. ABSTRACT The objective of the present investigation was to determine the effect of turbidity in the retention of lead with the Kondenskompresor irrigation system, in order to improve the quality and profitability of crops, water and soil for small farmers (farms lower than 20 ha). Thirty kondenskompressor systems were carried out with different values of turbidity for eight days. The parameters of turbidity, electrical conductivity, distilled volume and concentration of retained lead were measured. The results showed that the turbidity was not significantly related to the distilled water volume (p: 0.66) nor did it present a significant correlation with the pH (r: -0.283); although its correlation with electrical conductivity (r: 0.98, p <0.05) and lead was greater than 95% (r: 0.95, p <0.05). This is explained due to the presence of total suspended solids and dissolved solids, in addition to the content of organic matter that has a great capacity to adsorb lead. The efficiency rate in all systems was 87%, since part of the lead could precipitate and adhere to the containers before quantification. Palabras clave: Kondenskompresor, Lead, Turbidity and Solar distillation. 6 I. VERSIÓN DEL ARTÍCULO CIENTÍFICO APROBADA PARA PUBLICAR EFFECT OF TURBIDITY IN LEAD RETENTION WITH THE KONDENSKOMPRESOR IRRIGATION SYSTEM EFECTO DE LA TURBIDEZ EN LA RETENCIÓN DE PLOMO CON EL SISTEMA DE RIEGO KONDENSKOMPRESOR Yazmín León-Casós & Armando Vélez-Azañero Universidad Científica del Sur. Facultad de Ciencias Ambientales. Carrera de Ingeniería Ambiental. Panamericana sur Km 19. Lima 42. fonia14@gmail.com ABSTRACT The objective of the research was to determine the effect of turbidity on the retention of lead with the irrigation system Kondenskompresor, in order to increase the food safety and the conservation of water quality with accessible or zero costs for the micro-farmer; through 30 kondenskompressor systems with different values of turbidity at uncontrolled humidity and temperature, for eight days. The parameters of turbidity, electrical conductivity, distilled volume and concentration of retained lead were measured. The results obtained show that the turbidity was not significantly related to the distilled volume or to the pH; however, it presented a very high direct correlation with the electrical conductivity and the lead retained in the samples; registered an efficiency in lead retention of 87%. Palabras clave: Kondenskompresor - Lead - Turbidity - Solar distillation. RESUMEN El objetivo de la investigación fue determinar el efecto de la turbidez en la retención de plomo con el sistema de riego Kondenskompresor, con el fin de 7 aumentar la salubridad alimentaria y la conservación de la calidad del agua con costos accesibles o nulos para el micro-agricultor; mediante 30 sistemas kondenskompresor con diferentes valores de turbidez a humedad y temperatura no controladas, durante ocho días. Se midieron los parámetros de turbidez, conductividad eléctrica, volumen destilado y concentración de plomo retenido. Los resultados obtenidos demuestran que la turbidez no se relacionó significativamente con el volumen destilado ni con el pH; sin embargo, presentó una correlación directa muy elevada con la conductividad eléctrica y el plomo retenido en las muestras; registrado una eficiencia en la retención de plomo del 87%. Palabras clave: Destilación solar -Kondenskompresor - Plomo - Turbidez. INTRODUCCIÓN La agricultura consume el 70% del recurso hídrico a nivel mundial (FAO, 1993), y junto con la ganadería en el Perú, representan el 89% del consumo del agua disponible (FAO, 2015); sin embargo, los controles en la calidad de agua para estas actividades no han sido eficientes, y han generado un sistema paulatino de contaminación, donde las aguas subterráneas y superficiales son afectadas (Méndez et al., 2004). Los diversos agentes contaminantes como efluentes y residuos sólidos están asociados en la mayoría de los casos a la dispersión de metales pesados, los que se disponen en las aguas de riego y son acumulados en los cultivos vegetales (Juárez, 2012). Las aguas del río Rímac (en especial la cuenca alta) en el Perú, se encuentran contaminadas con trazas de metales pesados provenientes de actividades mineras e industriales (Juárez, 2012); donde el plomo, principal agente contaminante, ha excedido el límite máximo permisible de la normativa peruana DS N° 004-2017-MINAM (Estándares de calidad ambiental para agua categoría III), y ha mostrado patrón de incremento desde 1997 hasta el 2002 (Juárez, 2012); asimismo el Servicio de Agua Potable y Alcantarillado de Lima Metropolitana (SEDAPAL) registró que en el mes de enero de 2017, la concentración máxima de plomo (Pb) en el río Rímac alcanzó 1,949 mg·L-1, 8 cifra mayor en 6187,1% a lo registrado en enero de 2016 (0,031 mg.L-1) (INEI, 2017). Por tanto, el río Rímac, se ha convertido en uno de los principales cursos de agua del Perú, donde se descargan aguas residuales sin tratamiento previo (INEI, 2015). Además, la escasa información sobre los efectos de los metales pesados en la agricultura y en el ecosistema (Bedregal et al., 2003), viene generando una preocupación constante, promoviendo el uso de nuevas alternativas de riego poco convencionales como el sistema Kondenskompresor (KDK), sistema de riego por goteo que permite el uso de aguas contaminadas, reteniendo el contaminante, y evitando su disponibilidad en el suelo. Según Martinez & del Río (2013) el sistema KDK es un sistema basado en la destilación solar, creado por Arti Leimbacher en el año 2008, que incorpora un ciclo hidrológico con un componente adicional que los destiladores solares habituales no poseen: la infiltración; Asimismo los resultados experimentales realizados por el propio Leimbacher demostraron reducir la dotación de riego hasta diez veces con respecto a los sistemas tradicionales de irrigación en huertos, siendo un sistema útil no solo en la micro agricultura sino también en la reforestación, ya que tiene como ventaja, generar un circuito cerrado de evaporación y condensación en el que el agua no se pierde, puesto que no sale del propio destilador solar (Figura 1). El sistema permite ahorrar enormes cantidades de agua para el riego como cultivar plantas que necesitan para su crecimiento la mejor calidad de agua, es así que el agua que produce el KDK no tiene sal, tampoco nitratos, ni otros contaminantes, por lo que se puede usar para desalinizar el agua marina (Ecoinventos, 2017). El riego KDK ha demostrado ser un tipo de riego viable y efectivo en lo que respecta al control y a la demanda del agua, otorgando en los cultivos una productividad promedio del 60%, ofreciéndose así como una alternativa para el ahorro de agua, siendo eficiente para enfrentar, adaptarse y mitigar los efectos del cambio climático (Galindo et al., 2017). La turbidez es un parámetro que ha demostrado dificultades para la evaporación en los destiladores solares (Flores, 2015), así como en la incidencia de la radiación sobre la superficie del agua a destilar (Gonzales, 2011), asimismo el plomo presenta efectos nocivos para el sistema nervioso humano, la producción de células sanguíneas, los riñones, el sistema 9 reproductivo y la conducta (García et al., 2007). La presencia de plomo en el ecosistema también afecta las relaciones planta-agua; el incremento de la permeabilidad de las raíces; la inhibición de la fotosíntesis y respiración; y la modificación de las actividades de algunas enzimas metabólicas (Peris, 2005). El objetivo de la presente investigación fue determinar el efecto de la turbidez en la retención de plomo con el sistema de riego KDK, con el fin de aumentar la salubridad alimentaria y la conservación de la calidad del agua con costos accesibles o nulos para el micro-agricultor. MATERIALES Y MÉTODOS Área de estudio La investigación se realizó en el campus Villa 3 de la Universidad Científica del Sur, ubicada en el Km 19 de la Av. Panamericana Sur, Villa El Salvador, Lima, Perú (12°13´23.46’’S y 76°58´41.87’’O); en el mes de septiembre de 2016 a temperatura y humedad relativa no controladas, las que fluctuaron entre los 15,4°C – 19,8°C y 67,38% –74,73%, respectivamente. Los datos fueron obtenidos de la estación meteorológica de la Universidad Científica del Sur Lima, Perú. Diseño y análisis El sistema KDK, consistió en dos botellas de plástico PET de primer uso (de 5L y 2L) cortadas por la mitad, empleando la parte inferior de las botellas 2L, y la parte superior de las botellas 5L, siguiendo la metodología de Amaguaña & Llamba (2013). Se instalaron un total de 30 sistemas en un área de 9m2 protegida con malla para evitar cualquier tipo de contaminación; considerando la instalación a 5cm de profundidad y 30cm de separación entre cada sistema (Martínez & del Rio, 2013). Se establecieron cinco tratamientos y un control (C, T1, T2, T3, T4 y T5), considerando cinco repeticiones en cada tratamiento, en un arreglo de 6x5 completamente aleatorizado (Figura 1). Para todos los tratamientos y el control se consideró una concentración de plomo de 0,02 mg.L-1, tomando como referencia la estación E-15 SEDAPAL Puente Morón, Lurigancho, Chosica, río 10 Rímac (11°58´39.39’’S y 76°47´05.22’’O); la concentración de plomo fue obtenida a partir de la sal Acetato de plomo. Los niveles de turbidez fueron determinados siguiendo el promedio del año 2015 de la misma estación, considerando este dato para el tratamiento central (14 NTU), y generando una progresión con un factor de 0,5 para los otros valores (T1: 3,5 NTU; T2: 7 NTU; T3: 14 NTU; T4: 21 NTU; T5: 31,5 NTU); la turbidez fue generada al añadir suelo de chacra, en un volumen final de 500 mL, que representó el 80% de la capacidad del sistema. Figura 1. Instalación de 30 sistemas Kondenskompresor (KDK), en las inmediaciones de la Universidad Científica del Sur, para evaluar el efecto de la turbidez en la remoción del plomo en agua. El experimento duró un total de ocho días, donde se registró diariamente el pH a través del método potenciométrico referido en la norma técnica peruana NTP 339.176 2002, conductividad eléctrica (CE) a través del método electrométrico (ANA, 2016), y la turbidez a través del método de la turbidimetría (ISO, 7027) de cada muestra. El último día de evaluación se consideró el volumen de agua en cada sistema. Los datos de temperatura ambiental, y humedad relativa fueron obtenidos mediante un hidrómetro Coolbox – TH-439. Finalmente las muestras fueron colocadas en botellas de 600 mL, para su traslado al laboratorio certificado Cerper (Certificaciones del Perú), para conocer la concentración de plomo mediante espectrofotometría de absorción atómica. Se 11 realizó un análisis de varianza de una sola vía (ANOVA), para identificar las diferencias estadísticas entre los tratamientos y el control; y se realizó la prueba de comparaciones múltiples por el test de TUKEY, para determinar específicamente el nivel de significancia entre los tratamientos. Los análisis estadísticos se realizaron a través del software estadístico MINITAB versión 16 y GraphPrism, con un nivel de confianza de 95%. Durante la experimentación no se trató con animales o seres humanos por lo que no hubo conflicto de intereses éticos. RESULTADOS El comportamiento promedio del pH a lo largo de la investigación mostró valores muy similares, con un promedio mínimo de 5,92 en T2, y un promedio máximo de 6,67 en el control (Tabla 1), sin embargo, la prueba de comparaciones múltiples de Tukey, indica que el control presentó diferencias significativas con el resto de tratamientos (Tabla 1, Figura 2); la variable turbidez se relacionó de forma inversa con el pH (r: -0,28) aunque esta relación no fue significativa (p: 0,25); los cambios de pH no se relacionaron con las diferentes concentraciones de turbidez en el ensayo, ya que todos los tratamientos (T1; T2; T2; T4 y T5) fueron significativamente iguales según la prueba estadística (Tabla 1, Figura 2). Los valores promedio de CE, mostraron cuatro agrupaciones evidentes: la menor en el control con 12,28mS·cm-1; la segunda agrupación en T1 y T2, con 23,99mS. cm-1 y 24,54mS. cm-1 respectivamente; la tercera agrupación en T3 y T4, con 50,36mS. cm-1 y 49,70mS. cm-1 respectivamente; y la mayor en T5 con un promedio de 80,48mS. cm-1 (Figura 2). Esta agrupación se confirma con la prueba de Tukey, que asignó diferencia significativa a estas cuatro conformaciones (Figura 2, Tabla 1); lo que deja clara la relación directa entre la turbidez y la CE en cada sistema estudiado (r: 0,98; p<0,05). Los promedios de la turbidez expresada en NTU, mostraron cinco agrupaciones: la menor en el control con un valor de 1,43NTU; la segunda en T1, con 4,45NTU; la tercera en T2, con 8,17NTU; la cuarta en T3 y T4, con 20,89NTU y 22,69NTU respectivamente; y finalmente la mayor en T5 con 12 34,14NTU. La agrupación se confirma con la prueba de Tukey, que asignó diferencia significativa a las cinco conformaciones (Figura 2, Tabla 1). La concentración de plomo expresada en mg.L-1, evaluada al final de la experiencia, ofrece tres agrupaciones con valores intermedios según la prueba de Tukey: el control, T1, T2 y T3, no presentaron diferencia significativa; sin embargo, la segunda agrupación considera también a T2 y T3, junto a T4; finalmente el mayor valor promedio con diferencia significativa se encontró en el último tratamiento con 0,035mg.L-1 (Tabla 1); evidenciando una relación directa entre la concentración de plomo retenido en cada sistema y la turbidez (r: 0,95; p<0,05). Considerando un cambio del volumen de 15 L con 0,3 mg de Pb a 11,9 L con 0,26 mg de Pb, la eficiencia de retención del plomo en el sistema fue de 87%. El volumen de agua destilada evaluado en cada sistema, presentó un valor promedio mínimo de 70 mL en T1, y un valor promedio máximo de 100mL en T2, sin embargo, no presentó diferencia significativa en ningún tratamiento (p = 0,66, Tabla 1); lo que indica que la turbidez no se relacionó al volumen de agua destilado luego de ocho días de experiencia; el porcentaje de destilación promedio en la experiencia fue 17,33%. Tabla 1. Comparaciones múltiples de las medias de las variables Conductividad eléctrica, pH y turbidez en cada tratamiento con la prueba de Tukey entre los tratamientos del Sistema Kondenskompresor (KDK) a los ocho días de medición, donde letras diferentes indican diferencia significativa con un alfa de 0.05. Pr (>F) indica el p-value del análisis de varianza (ANOVA). Variables Tratamientos Pr(>F) C T1 T2 T3 T4 T5 Conductividad eléctrica 13,28d 23,99c 24,54c 50,36b 49,7b 80,48a 0,000 ** pH 6,67a 5,96b 5,92b 5,94b 6,03b 6,16b 0,000 ** Turbidez (NTU) 1,43e 4,45d 8,17c 20,89b 22,69b 34,14a 0,000 ** Plomo (mg.L-1) 0,013c 0,014c 0,021bc 0,022bc 0,029ab 0,035a 0,000 Volumen destilado (mL) 80a 70a 100a 92a 86,02a 91a 0,66 13 A B C D Figura 2. Comparaciones Múltiples con la prueba de Tukey donde letras diferentes indican diferencia significativa con un alfa de 0.05. A: CE; B: pH; C: Turbidez (NTU); D: Concentración de plomo. DISCUSIÓN La baja correlación negativa entre el pH y la turbidez en nuestra investigación no fue significativa, resultados que se confirman con los reportes de Betanzos 14 (2013), Mandal (2014) y Feria, Rodiño y Gutiérrez (2016) quienes indican que existe una correlación negativa no significativa entre el pH y la turbidez. La relación negativa entre el pH y la turbidez también fue mencionada por Fonturbel (2005); y se puede explicar debido a que los procesos de descomposición de materia orgánica en los tratamientos con suelo tienden a liberar ácidos que reducen gradualmente los niveles de pH (Bridgewater, 2007). La turbidez y la CE presentaron una correlación positiva muy alta, debido a que la CE ofrece una medida de los sólidos o sales disueltas en el sistema (Rocha, 2010), mientras la turbidez por su parte representa el contenido de materias coloidales, minerales u orgánicas (Marcó, 2004), los que aumentaron en función a la disminución del volumen en cada sistema, y se confirman con altos valores de correlación entre 37% (Bradner, 2013) y 78% (Shroff et al., 2015) en otras investigaciones. Aunque los valores de conductividad encontrados podrían relacionarse también, a la presencia de materia orgánica en descomposición flotante, principalmente insectos y otros artrópodos (Urrutia, 2015) encontrados al finalizar la experiencia. En contraposición a nuestros resultados, Flores (2015) afirma que las sustancias contenidas en el sistema de destilación solar (turbidez) disminuyen la evaporación, lo que no sucedió en nuestro caso, donde las diferentes concentraciones de turbidez no afectaron significativamente el volumen evaporado después de ocho días de experimentación. Wang & Yagoobi (1994) encontraron que la turbidez, juega un papel crítico en la magnitud de la penetración de la radiación solar, y que el efecto de la turbidez en la penetración aumenta con la profundidad del agua; además, la claridez del agua desarrolla un papel significativo en el rendimiento térmico de un estanque solar (Wang & Yagoobi, 1995), lo que no se evidenció en nuestros resultados probablemente porque la tierra de chacra que se empleó para dar turbidez a las muestras precipitó en el fondo de los envases y otorgó un color oscuro al fondo de las muestras, ejerciendo un efecto de absorbancia de la radiación y poca reflectancia como sucedió en diversos destiladores solares con fondo negro (Armendáriz, 2005; Nandwani, 2005; Esteban et al., 2000). Las partículas 15 coloidales flotantes son prácticamente responsables de toda la dispersión de la luz y absorción de la luz en estanques de agua natural (Kirk, 1985), sin embargo, para el caso del sistema KDK, la turbidez no pareció afectar la destilación, lo cual concuerda con los estudios de Ochoa (2009) donde a partir de aguas residuales con el sistema KDK, los cultivos tuvieron una mayor productividad que con el riego tradicional, por lo que el volumen destilado tampoco se vio afectado por las propiedades fisicoquímicas de las aguas residuales. La alta relación directa entre la turbidez y la concentración de plomo retenido, se explica por la capacidad de las fuentes de carbono, o materia orgánica en descomposición (tierra de chacra en nuestro caso) para adsorber fácilmente los cationes de plomo (Abdel-Ghany et al.,2007; Benhima et al., 2007) y otros metales importantes como el Zn y el Cu (Kazemipour et al., 2008); además, los minerales absorbentes como la zeolita y zeolita acondicionada con FeCl3 provenientes de rocas volcánicas que se obtienen naturalmente en la tierra, contribuyen también en la adsorción y retención del plomo (Cruz, 2013). En ese sentido, la turbidez para el presente estudio fue otorgada por tierra de chacra, la cual contenía compuestos orgánicos que pudieron tener un efecto positivo en la adsorción y retención del plomo, sin embargo no se estudió la composición de la tierra de chacra o los compuestos que pudieron ocasionar dicho efecto, por lo que esto fue una limitante. La eficiencia de retención de plomo promedio de los sistemas evaluados (87%) no alcanzó mayores valores, probablemente por la sedimentación del metal, y la pérdida del mismo al verter el contenido para la medición del volumen final. Diversas investigaciones recomiendan acidificar la solución con ácido nítrico (Iglesias et al., 2006) previa a la medición del volumen, hasta obtener un pH menor a 2, y de esta manera evitar la precipitación del plomo (Taylor & Demayo, 1989; Van den Beerg et al., 1998; IDEAM, 2004; DIGESA, 2007); las muestras en nuestra investigación no fueron acidificadas, lo que pudo afectar los resultados reportados. La evaporación del metal, no afectó los resultados, ya que el plomo requiere temperaturas mayores a los 300ºC para cambiar de 16 estado (Feuerstein et al., 1991), y la experimentación fue desarrollada a temperatura ambiental. El análisis de plomo retenido se realizó a partir de la muestra contenida dentro del sistema, sin embargo el análisis de la concentración de plomo en el agua destilada proveería datos más exactos sobre la retención del metal. Los sistemas de destilación solar como el KDK han demostrado la producción de agua de excelente calidad con eficiencia en la remoción de sales de hasta un 99% (Barroso & Gil, s.f.; Yabroudi et al., 2011 y Ecoinventos, 2017) y apta para el consumo humano, según las normas mexicanas (De la Cruz, 2015); el sistema KDK es un método de potencial importancia para la micro-agricultura, presentando también eficiencia para remover microorganismos patógenos (Ochoa, 2009). Los resultados de la presente investigación añaden una ventaja adicional al sistema Kondenskompresor al evidenciar que la turbidez no fue un impedimento para la retención del plomo dentro del sistema, sino que por el contrario, tuvo un efecto positivo en su retención, encontrándose un 87% de plomo retenido. AGRADECIMIENTOS Agradecemos especialmente a Carlos Acosta por su apoyo con el análisis estadístico de los datos y a Sabrina Ruiz Gonzales por su apoyo en la fase de campo. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Abdel-Ghani, N. T., Hefny, M., & El-Chaghaby, G. A. 2007. Removal of lead from aqueous solution using low cost abundantly available adsorbents. International. Journal of Environmental Science & Technology, 4(1) : 67-73. 17 Amaguaña, S. & Llamba, C. 2013. Diseño e implementación de la fase inicial de un sistema de manejo sustentable para suelo y agua en el sector sur oeste de la UPS. Tesis de bachiller, Universidad Politécnica Salesiana, Quito. ANA (Autoridad Nacional del Agua). 2016. 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The parameters of turbidity, electrical conductivity, distilled volume and concentration of retained lead were measured. The results obtained show that the turbidity was not significantly related to the distilled volume or to the pH; however, it presented a very high direct correlation with the electrical conductivity and the lead retained in the samples; registered an efficiency in lead retention of 87%. Palabras claves: Kondenskompresor- Turbidity- Solar distillation- Lead. RESUMEN El objetivo de la investigación fue determinar el efecto de la turbidez en la retención de plomo con el sistema de riego Kondenskompresor, con el fin de aumentar la salubridad alimentaria y la conservación de la calidad del agua con costos accesibles o nulos para el micro-agricultor; mediante 30 sistemas 24 kondenskompresor con diferentes valores de turbidez a humedad y temperatura no controladas, durante ocho días. Se midieron los parámetros de turbidez, conductividad eléctrica, volumen destilado y concentración de plomo retenido. Los resultados obtenidos demuestran que la turbidez no se relacionó significativamente con el volumen destilado ni con el pH; sin embargo, presentó una correlación directa muy elevada con la conductividad eléctrica y el plomo retenido en las muestras; registrado una eficiencia en la retención de plomo del 87%. Palabras clave: Kondenskompresor- Turbidez- Destilación solar – Plomo. INTRODUCCIÓN La agricultura consume el 70% del recurso hídrico a nivel mundial (FAO, 1993); y junto con la ganadería en el Perú, representan el 89% del consumo del agua disponible (FAO, 2015); sin embargo, los controles en la calidad de agua para estas actividades no han sido eficientes, y han generado un sistema paulatino de contaminación, donde las aguas subterráneas y superficiales son afectadas (Méndez et al., 2004). Los diversos agentes contaminantes como efluentes y residuos sólidos están asociados en la mayoría de los casos a la dispersión de metales pesados, los que se disponen en las aguas de riego y son acumulados en los cultivos vegetales (Juárez, 2012). Las aguas del río Rímac (en especial la cuenca alta) se encuentran contaminadas con trazas de metales pesados provenientes de actividades mineras e industriales (Juárez, 2012); donde el plomo, principal agente contaminante, ha excedido el límite máximo permisible de la normativa peruana (categoría III), y ha mostrado patrón de incremento desde 1997 hasta el 2002 (Juárez, 2012), asimismo el Servicio de Agua Potable y Alcantarillado de Lima Metropolitana (SEDAPAL) reportó que en el mes de enero de 2017, la concentración máxima de plomo (Pb) en el río Rímac alcanzó 1,949 mg/l, cifra mayor en 6187,1% a lo reportado en enero de 2016 (0,031 mg/l) (INEI, 2017). Por tanto, el río Rímac, se ha convertido en uno de los principales cursos de agua del Perú, donde se descargan aguas residuales sin tratamiento previo (INEI, 2015); además, la escasa información sobre los efectos de los metales pesados en la agricultura y en el ecosistema (Bedregal et al; 2001), viene 25 generando una preocupación constante, promoviendo el uso de nuevas alternativas de riego poco convencionales como el sistema Kondenskompresor (KDK), sistema de riego por goteo que permite el uso de aguas contaminadas, reteniendo el contaminante, y evitando su disponibilidad en el suelo. Según Martinez y del Río (2013) el sistema KDK es un sistema basado en la destilación solar, creado por Arti Leimbacher en el año 2008, que incorpora un ciclo hidrológico con un componente adicional que los destiladores solares habituales no poseen: la infiltración; Asimismo los resultados experimentales realizados por el propio Leimbacher demostraron reducir la dotación de riego hasta diez veces con respecto a los sistemas tradicionales de irrigación en huertos, siendo un sistema útil no solo en la micro agricultura sino también en la reforestación, ya que tiene como ventaja, generar un circuito cerrado de evaporación y condensación en el que el agua no se pierde, puesto que no sale del propio destilador solar. El sistema permite ahorrar enormes cantidades de agua para el riego como cultivar plantas que necesitan para su crecimiento la mejor calidad de agua, es así que el agua que produce el Kondenskompressor no tiene sal, tampoco nitratos, ni otros contaminantes, por lo que se puede usar para desalinizar el agua marina (Ecoinventos, 2017). El riego Kondenskompresor ha demostrado ser un tipo de riego viable y efectivo en lo que respecta al control y a la demanda del agua, otorgando en los cultivos una productividad promedio del 60%, ofreciéndose así como una alternativa para el ahorro de agua, siendo eficiente para enfrentar, adaptarse y mitigar los efectos del cambio climático (Galindo et al; 2017). El objetivo de la presente investigación fue determinar el efecto de la turbidez en la retención de plomo con el sistema de riego KDK, con el fin de aumentar la salubridad alimentaria y la conservación de la calidad del agua con costos accesibles o nulos para el micro-agricultor. MATERIALES Y MÉTODOS Área de estudio La investigación se realizó en el campus Villa 3 de la Universidad Científica del Sur, ubicada en el Km 19 de la Av. Panamericana Sur, Villa El Salvador, Lima, 26 Perú (12°13´23.46’’S y 76°58´41.87’’O); en el mes de septiembre de 2016 a temperatura y humedad relativa no controladas, las que fluctuaron entre los 15,4°C – 19,8°C y 67,38% –74,73%, respectivamente. Los datos fueron obtenidos de la estación meteorológica de la Universidad Científica del Sur Lima, Perú. Diseño y análisis El sistema KDK, consistió en dos botellas de plástico PET de primer uso (de 5L y 2L) cortadas por la mitad, empleando la parte inferior de las botellas 2L, y la parte superior de las botellas 5L, siguiendo la metodología de Amaguaña y Llamba (2013). Se instalaron un total de 30 sistemas en un área de 9m2 protegida con malla para evitar cualquier tipo de contaminación; considerando la instalación a 5cm de profundidad y 30cm de separación entre cada sistema (Martínez y del Rio, 2013). Se establecieron cinco tratamientos y un control (C, T1, T2, T3, T4, T5), considerando cinco repeticiones en cada tratamiento, en un arreglo de 6x5 completamente aleatorizado (Figura 1). Para todos los tratamientos y el control se consideró una concentración de plomo de 0,02 ppm, tomando como referencia la estación E-15 SEDAPAL Puente Morón, Lurigancho, Chosica, río Rímac (11°58´39.39’’S y 76°47´05.22’’O); la concentración de plomo fue obtenida a partir de la sal Acetato de plomo. Los niveles de turbidez fueron determinados siguiendo el promedio del año 2015 de la misma estación, considerando este dato para el tratamiento central (14 NTU), y generando una progresión con un factor de 0,5 para los otros valores (T1: 3,5 NTU; T2: 7 NTU; T3: 14 NTU; T4: 21 NTU; T5: 31,5 NTU); la turbidez fue generada al añadir suelo de chacra, en un volumen final de 500 ml, que representó el 80% de la capacidad del sistema 27 Figura 1. Instalación de 30 sistemas Kondenskompresor, en las inmediaciones de la Universidad Científica del Sur, para evaluar el efecto de la turbidez en la remoción del plomo en agua. El experimento duró un total de ocho días, donde se registró diariamente el pH a través del método potenciométrico referido en la norma técnica peruana NTP 339.176 2002, conductividad eléctrica a través del método electrométrico (ANA, 2011), y la turbidez a través del método de la turbidimetría (ISO 7027) de cada muestra. El último día de evaluación se consideró el volumen de agua en cada sistema. Los datos de temperatura ambiental, y humedad relativa fueron obtenidos mediante un hidrómetro Coolbox – TH-439. Finalmente las muestras fueron colocadas en botellas de 600ml, para su traslado al laboratorio certificado Cerper., para conocer la concentración de plomo mediante espectrofotometría de absorción atómica. Se realizó un análisis de varianza de una sola vía (ANOVA), para identificar las diferencias estadísticas entre los tratamientos y el control; y se realizó la prueba de comparaciones múltiples por el test de TUKEY, para determinar específicamente el nivel de significancia entre los tratamientos. Los análisis estadísticos se realizaron a través de los software estadísticos MINITAB versión 16 y GraphPrism, con un nivel de confianza de 95%. 28 RESULTADOS El comportamiento promedio del pH a lo largo de la investigación mostró valores muy similares, con un promedio mínimo de 5,92 en T2, y un promedio máximo de 6,67 en el control (Figura 2), sin embargo, la prueba de comparaciones múltiples de Tukey, indica que el control presentó diferencia significativa con el resto de tratamientos (Figura 3, Tabla 1); la variable turbidez se relacionó de forma inversa con el pH (r: -0,283) aunque esta relación no fue significativa (p: 0,255); los cambios de pH no se relacionaron con las diferentes concentraciones de turbidez en el ensayo, ya que todos los tratamientos (T1; T2; T2; T4; T5) fueron significativamente iguales según la prueba estadística (Figura 3-B). Los valores promedio de CE, mostraron cuatro agrupaciones evidentes: la menor en el control con 12,28mS/cm; la segunda agrupación en T1 y T2, con 23,99mS/cm y 24,54mS/cm respectivamente; la tercera agrupación en T3 y T4, con 50,36mS/cm y 49,70mS/cm respectivamente; y la mayor en T5 con un promedio de 80,48mS/cm (Figura 2). Esta agrupación se confirma con la prueba de Tukey, que asignó diferencia significativa a estas cuatro conformaciones (Figura 3, Tabla 1); lo que deja clara la relación directa entre la turbidez y la CE en cada sistema estudiado (r: 0,989; p<0,05). Los promedios de la turbidez expresada en NTU, mostraron cinco agrupaciones: la menor en el control con un valor de 1,43NTU; la segunda en T1, con 4,45NTU; la tercera en T2, con 8,17NTU; la cuarta en T3 y T4, con 20,89NTU y 22,69NTU respectivamente; y finalmente la mayor en T5 con 34,14NTU (Figura 2). La agrupación se confirma con la prueba de Tukey, que asignó diferencia significativa a las cinco conformaciones (Figura 3, Tabla 1). La concentración de plomo expresada en ppm, evaluada al final de la experiencia, ofrece tres agrupaciones con valores intermedios según la prueba de Tukey: el control, T1, T2 y T3, no presentaron diferencia significativa; sin embargo, la segunda agrupación considera también a T2 y T3, junto a T4; finalmente el mayor valor promedio con diferencia significativa se encontró en el último tratamiento con 0,035ppm (Tabla 1); evidenciando una relación directa 29 entre la concentración de plomo retenido en cada sistema y la turbidez (r: 0,954; p<0,05). Considerando un cambio del volumen de 15 litros con 0,3 mg de Pb a 11,9 L con 0,26 mg de Pb, la eficiencia de retención del plomo en el sistema fue de 87%. El volumen de agua destilada evaluado en cada sistema, presentó un valor promedio mínimo de 70 mL en T1, y un valor promedio máximo de 100mL en T2, sin embargo, no presentó diferencia significativa en ningún tratamiento (p; 0,668, Tabla 1); lo que indica que la turbidez no se relacionó al volumen de agua destilado luego de ocho días de experiencia; el porcentaje de destilación promedio en la experiencia fue 17,33%. 100 pH 80 CE NTU 60 40 20 0 C T1 T2 T3 T4 T5 Tratamientos Figura 2. Comportamiento de los parámetros físico-químicos a lo largo de los ocho días de evaluación en cada tratamiento. C: Control; T: Tratamiento. NTU: Unidades Nefelométricas de turbidez. 30 Tabla 1. Comparaciones múltiples de las medias de las variables Conductividad eléctrica, pH y turbidez en cada tratamiento con la prueba de Tukey entre los tratamientos del Sistema Kondenskompresor a los ocho días de medición, donde letras diferentes indican diferencia significativa con un alfa de 0.05. Pr (>F) indica el p-value del análisis de varianza (ANOVA). Variables Tratamientos Pr(>F) C t1 t2 t3 t4 t5 Conductividad eléctrica 13,28d 23,99c 24,54c 50,36b 49,7b 80,48a 0,000 ** pH 6,67a 5,96b 5,92b 5,94b 6,03b 6,16b 0,000 ** Turbidez (NTU) 1,43e 4,45d 8,17c 20,89b 22,69b 34,14a 0,000 ** Plomo (ppm) 0,013c 0,014c 0,021bc 0,022bc 0,029ab 0,035a 0,000 Volumen destilado (mL) 80a 70a 100a 92a 86,02a 91a 0,668 31 A B C D Figura 3. Comparaciones Múltiples con la prueba de Tukey donde letras diferentes indican diferencia significativa con un alfa de 0.05. A: CE; B: pH; C: Turbidez (NTU); D: Concentración de plomo. 32 DISCUSIÓN La baja correlación negativa entre el pH y la turbidez en nuestra investigación no fue significativa, resultados que se confirman con los reportes de Betanzos (2013), Mandal (2014) y Feria, Rodiño y Gutiérrez (2016) quienes indican que existe una correlación negativa no significativa entre el pH y la turbidez. La relación negativa entre el pH y la turbidez también fue mencionada por Fonturbel (2005); y se puede explicar debido a que los procesos de descomposición de materia orgánica en los tratamientos con suelo tienden a liberar ácidos que reducen gradualmente los niveles de pH (Bridgewater, 2007;). La turbidez y la CE presentaron una correlación positiva muy alta; ya que la CE ofrece una medida de los sólidos o sales disueltas en el sistema (Rocha, 2010), mientras la turbidez por su parte representa el contenido de materias coloidales, minerales u orgánicas (Marcó, 2004), los que aumentaron en función a la disminución del volumen en cada sistema, y se confirman con altos valores de correlación entre 37% (Bradner, 2013) y 78% (Shroff et al., 2015) en otras investigaciones. Aunque los valores de conductividad encontrados podrían relacionarse también, a la presencia de materia orgánica en descomposición flotante, principalmente insectos y otros artrópodos (Urrutia, 2015) encontrados al finalizar la experiencia. En contraposición a nuestros resultados, Flores (2015) afirma que las sustancias contenidas en el sistema de destilación solar (turbidez) disminuyen la evaporación, lo que no sucedió en nuestro caso, donde las diferentes concentraciones de turbidez no afectaron significativamente el volumen evaporado después de ocho días de experimentación. Wang & Yagoobi (1994) encontraron que la turbidez, juega un papel crítico en la magnitud de la penetración de la radiación solar, y que el efecto de la turbidez en la penetración aumenta con la profundidad del agua; además, la claridez del agua desarrolla un papel significativo en el rendimiento térmico de un estanque solar (Wang & 33 Yagoobi, 1995), lo que no se evidenció en nuestros resultados probablemente porque la tierra de chacra que se empleó para dar turbidez a las muestras precipitó en el fondo de los envases y otorgó un color oscuro al fondo de las muestras, ejerciendo un efecto de absorbancia de la radiación y poca reflectancia como sucedió en diversos destiladores solares con fondo negro (Armendáriz, 2005; Nandwani, 2005; Esteban, Franco y Fasulo, 2000). Las partículas coloidales flotantes son prácticamente responsables de toda la dispersión de la luz y absorción de la luz en estanques de agua natural (Kirk, 1985), sin embargo, para el caso del sistema KDK, la turbidez no pareció afectar la destilación, lo cual concuerda con los estudios de Ochoa (2009) donde a partir de aguas residuales con el sistema KDK, los cultivos tuvieron una mayor productividad que con el riego tradicional, por lo que el volumen destilado tampoco se vio afectado por las propiedades fisicoquímicas de las aguas residuales. La alta relación directa entre la turbidez y la concentración de plomo retenido, se explica por la capacidad de las fuentes de carbono, o materia orgánica en descomposición (tierra de chacra en nuestro caso) para adsorber fácilmente los cationes de plomo (Abdel-Ghany et al.,2007; Benhima et al., 2007) y otros metales importantes como el Zn y el Cu (Kazemipour et al., 2008); además, los minerales absorbentes como la zeolita y zeolita acondicionada con FeCl3 provenientes de rocas volcánicas que se obtienen naturalmente en la tierra, contribuyen también en la adsorción y retención del plomo (Cruz, 2013). La eficiencia de retención de plomo promedio de los sistemas evaluados (87%) no alcanzó mayores valores, probablemente por la sedimentación del metal, y la pérdida del mismo al verter el contenido para la medición del volumen final. Diversas investigaciones recomiendan acidificar la solución con ácido nítrico (Iglesias et al., 2006) previa a la medición del volumen, hasta obtener un pH menor a 2, y de esta manera evitar la precipitación del plomo (Bakowska, 1997; Van den Beerg et al., 1998; Taylor & Demayo, 1989; DIGESA, 2007; IDEAM, 2004); las muestras en nuestra investigación no fueron acidificadas, lo que pudo afectar los resultados reportados. La evaporación del metal, no afectó los resultados, ya que el plomo requiere temperaturas mayores a los 300ºC para 34 cambiar de estado (Feuerstein et al., 1991), y la experimentación fue desarrollada a temperatura ambiental. Los sistemas de destilación solar como el KDK han demostrado la producción de agua de excelente calidad con eficiencia en la remoción de sales de hasta un 99% (Barroso & Gil, s.f.; Yabroudi et al, 2011 y Ecoinventos, 2017) y apta para el consumo humano, según las normas mexicanas (De la Cruz, 2015); el sistema KDK es un método de potencial importancia para la micro-agricultura, presentando también eficiencia para remover microorganismos patógenos (Ochoa, 2009). Los resultados de la presente investigación añaden una ventaja adicional al sistema Kondenskompresor al evidenciar que la turbidez no fue un impedimento para la retención del plomo dentro del sistema, sino que por el contrario, tuvo un efecto positivo en su retención. AGRADECIMIENTOS Agradecemos especialmente a Carlos Acosta por su apoyo con el análisis estadístico de los datos y a Sabrina Ruiz Gonzales por su apoyo en la fase de campo. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Abdel-Ghani, N. T., Hefny, M., & El-Chaghaby, G. A. (2007). 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Pb: Plomo pH: Potencial de hidrógeno SEDAPAL: Servicio de Agua Potable y Alcantarillado de Lima. Zn: Zinc 45 VII. ANEXOS: Anexo 1. Carta de aceptación del artículo científico 46 Anexo 2. Carta de aprobación de Comité de Ética 47 Anexo 3. Resolución directoral de aprobación e inscripción del proyecto de tesis 48 Anexo 4. Instrumentos usados en la investigación y demás información de utilidad 4.1 Materiales: - Botellas de polietileno de 5 L. - Botellas de polietileno de 2,5 L. - Agua destilada. - Recipientes de polietileno de 500 mL - Acetato de plomo (Sal). - Tierra de chacra. - Probetas de 250 mL de vidrio Pyrex, estilo Griffin. - Malla metálica hexagonal galvanizada de ¾ pulgada-10 metros. - 4 Estacas de madera de 1 m. - Una pala de acero al carbono. - Regla metálica de 50 cm. - Tijeras. - Mortero de porcelana con pistilo. 4.2 Equipos: - Espectofotómetro de adsorción atómica marca Varian modelo AA240FS. - Piranómetro marca Davis Instrument modelo Vantage Pro2. - Conductímetro marca Hanna modelo HI 9835. - Potenciómetro marca Hanna modelo HI 9813. - Hidrómetro marca Coolbox modelo TH-439. - Turbidímetro marca Orion modelo AQ3010. 49 4.3 Información de utilidad: a. Concentraciones de plomo en la Estación del Puente Morón del Río Rímac. 50 b. Figuras: Figura 1. Potenciómetro, turbidímetro y conductímetro empleados en las mediciones durante la ejecución del experimento. Figura 2. Colocación de la tierra previamente pesada por tratamiento. 51 Figura 3. Mediciones de pH. Figura 4. Acetato de plomo empleado en la preparación de Muestras. 52 Figura 5. Materiales empleados para la experimentación: Agua destilada y malla perimetral. Figura 6. Fijación de las botellas de 5 litros en el suelo. 53 c. Resultados finales de concentración de Plomo en las muestras. 54 55