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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGIA
TESIS
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:
MAESTRIA EN CIENCIAS EN BIOPROCESOS
PRESENTA:
Sandra Lucero Carpinteyro Urbán
Bióloga
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EMPLEANDO POLÍMEROS NATURALES Y
BIODEGRADABILIDAD DE LOS LODOS GENERADOS
Dirigida por:
Dr. Luis Gilberto Torres Bustillos
Dr. Jorge Yáñez Fernández
México, D.F. Junio de 2011
i
ii
iii
iv
ABSTRACT
There are many methods to treat wastewater, either of municipal or industrial type. One is
the coagulation-flocculation which aim is to eliminate colloidal particles than other methods can
not remove. Currently, iron or aluminum salts and synthetic polymers have been employed, which
generate less biodegradable sludges. Biopolymers such as guar gum, carob, mesquite and cactus
mucilage have coagulant and flocculant properties, so they can be used in the treatment of
municipal and industrial wastewater. These biopolymers can show equal or better removal
efficiencies than synthetic products. In addition, their use will generate more biodegradable
sludges. The aim of this work was to study the wastewater treatment using natural polymer and
determine the biodegradability of generated sludges, compared with those generated by using
ferric chloride. Methods were developed for extraction of cactus mucilage and mesquite bean
gum. The biopolymers were characterized in terms of rheological parameters and metal content.
Municipal wastewater and wastewater generated from a cosmetics industry were used. These
samples were characterized in terms of physicochemical parameters, zeta potential and the effect
of pH over sedimentation. It was performed an experimental design with 3 factors (i.e., type of
biopolymer, biopolymer dose and initial COD wastewater), each with 3 levels. The response
variables evaluated were final pH, removals of COD, turbidity, salinity and the sludge was analyzed
in terms of volume, weight, density, BOD/COD ratio and metal contents. In municipal wastewater
biopolymers worked best with the lowest dose (25 mg/L), removing between 44 and 52% of the
initial COD. The biopolymers showed similar behavior among themselves, removing 25 to 20 mg
COD per mg of biopolymer. The galactomannans (guar and carob gums) worked better (when
treating industrial wastewaters) with the medium dose (300 mg/L) with COD removal between 22
and 25%. They were able to remove 10 and 11 mg COD per mg of biopolymer. The cactus mucilage
worked better with the lower dose (150 mg/L), reaching 21 mg COD / mg, twice the amount
reached when using the galactomannans. The volume of produced sludge is directly related to the
initial organic load of wastewater. The higher the initial load, the higher the produced sludge.
Densities of the generated sludge from municipal wastewater showed a significant difference for
all experiments, while in the sludge generated by industrial wastewater no significant differences
were observed. The biopolymers have the potential to replace the use of inorganic salts and
synthetic polymers in the treatment of municipal wastewater and a high load-wastewater from
cosmetic industry through coagulation and flocculation.
v
RESUMEN
Existen muchos métodos para tratar agua residual, ya sea de tipo municipal o industrial.
Uno de ellos es la coagulación-floculación que tiene la finalidad de eliminar las partículas
coloidales que otros métodos no pueden remover. Tradicionalmente, se han utilizado sales de
fierro o aluminio y polímeros sintéticos, los cuales generan lodos poco biodegradables. Los
biopolímeros como gomas de guar, algarrobo, mezquite y el mucílago de nopal tienen
propiedades coagulantes y floculantes, por lo que pueden usarse en el tratamiento de agua
residual municipal e industrial. Estos biopolímeros pueden presentar iguales o mejores eficiencias
de remoción de carga orgánica que los productos sintéticos, además que al usarlos se generarán
lodos más biodegradables. El objetivo de este trabajo fue estudiar el tratamiento de agua residual
empleando polímeros naturales y determinar la biodegradabilidad de los lodos generados con
distintos biopolímeros, en comparación con los generados al emplear cloruro férrico. Se
desarrollaron métodos para extracción de mucílago de nopal y de la goma de semilla de mezquite.
Los biopolímeros fueron caracterizados en cuanto a parámetros reológicos y contenido de
metales. Se emplearon agua residual municipal y agua residual generada de una industria de
cosméticos. Estas muestras se caracterizaron en cuanto a parámetros fisicoquímicos, potencial Z y
el efecto del pH sobre la sedimentación. Se realizó un diseño experimental con 3 factores: tipo de
biopolímero, dosis de biopolímero y DQO inicial del agua residual, cada uno con 3 niveles. Las
variables de respuesta evaluadas fueron pH final, remociones de DQO, turbiedad, salinidad y se
analizó el lodo en cuanto a volumen, peso, densidad, relación DBO/DQO y contenido de metales.
Al tratar agua residual municipal los biopolímeros funcionaron mejor con la dosis más baja (25
mg/L), removiendo entre 44 y 52% de la DQO. Los biopolímeros presentaron un comportamiento
similar ya que removieron entre 25 y 20 mg DQO por cada mg de biopolímero. En agua residual
industrial las galactomananas (gomas de guar y algarrobo) funcionaron mejor con la dosis media
(300 mg/L) con remociones de DQO entre 22 y 25%. Se concluye que pudieron remover 10 y 11 mg
DQO por cada mg de biopolímero. El mucílago de nopal funcionó mejor con la dosis más baja (150
mg/L), removiendo el doble de mg DQO por cada mg de biopolímero (21 mg DQO/mg), respecto a
las galactomananas. El volumen del lodo producido tuvo una relación directa con la carga orgánica
del agua residual inicial, a mayor carga, más lodo producido. La densidad del lodo generado de
agua residual municipal mostró diferencia significativa para todos los experimentos. Mientras que
en los lodos generados con agua residual industrial no hay diferencias significativas. Los
biopolímeros tienen el potencial para sustituir el uso de sales inorgánicas y polímeros sintéticos en
el tratamiento de agua residual municipal y agua residual generada en la producción de
cosméticos por medio de coagulación y floculación.
vi
El desarrollo experimental de este trabajo se llevó a cabo en el Laboratorio de Bioprocesos de la
Unidad Profesional de Biotecnología del IPN.
Agradezco al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT 323542/230751), al Programa
Institucional de Formación de Investigadores de la Comisión de Operación y Fomento de
Actividades Académicas bajo el proyecto 20110933 (Caracterización y aplicación de gomas
naturales a la resolución de problemas ambientales) y a la Fundación Telmex (092034305) por las
becas otorgadas para la realización de mis estudios de posgrado.
Este trabajo se ha presentado:
1. Con Mención Honorífica en el 2nd IWA Mexico Young Water Professional Conference 2010 en
Querétaro, México del 12 al 14 abril. Por la presentación oral “Coagulation-flocculation of
wastewaters employing guar, locust bean and mesquite gums, as well as Opuntia indica mucilage.
2. Participación oral en el Foro de Biotecnología UPIBI del 10 al 12 de noviembre 2010 con el trabajo
“Efecto de carga orgánica, tipo y dosis de biopolímeros en el tratamiento de agua residual
municipal y biodegradabilidad de los lodos producidos”.
3. Participación con cartel en el Foro Ambiental UPIBI 10 y 11 de febrero de 2011. Con el trabajo
“Remoción de carga orgánica y grasas y aceites en el tratamiento de agua residual industrial con
biopolímeros”.
4. Participación oral en el IWA Water and Industry 2011 International Conference en Valladolid
España del 1 al 4 de mayo. Con el tema “Use of biopolymers from vegetal origin in de coagulation-
flocculation of a high-load cosmetic industry wastewater”
vii
Dedicatoria
A Vicente. Es mi complemento y este logro lo hemos hecho juntos.
A mis hijos Marina y Bruno. Recuerden que las grandes metas se pueden alcanzar.
A mis padres Orlanda y José Manuel. Sin ustedes no hubiera llegado hasta aquí.
A mis hermanas y hermanos (José Manuel, Roxana, Victor, Ana y Valeria). Son mi ejemplo.
A mi sobrina y sobrinos (Armando, Pamela y Rubén). Trabajar cuesta… lograrlo se disfruta.
A toda mi familia y amistades por ser parte de mi vida.
“No hay saber más o saber menos, hay saberes diferentes” Paulo Freire
viii
Agradecimientos
A donde sea que haya llegado… no arribé sola.
Por mucho esfuerzo y trabajo…. el mérito no es exclusivamente mío
Siempre hubo algo o una razón…. siempre estuvo alguien
Siempre existió un viento debajo de mis alas… para ayudarme a volar
Al Dr. Luis G. Torres B. por su apoyo, dedicación, amistad y compromiso. Porque me abrió las
puertas y aprendí mucho de él.
A los Dres. Jorge Yáñez, Luis Fernández, Claudia Guerrero, Edgar Salgado y Juan Aranda por sus
enseñanzas.
A mi familia: Vicente, mis hijos, mis padres, mis hermanas y hermanos, cuñadas y cuñados,
sobrinas y sobrinos por todo su apoyo y amor para que pueda alcanzar esta gran meta. Por
soportar y comprender los desvelos, las ausencias, el estrés o incluso cuando pasaba los días de
fiesta trabajando.
A todos mis profesores de la maestría en la UPIBI, gracias porque con sus conocimientos
comprobé mi gusto por la ciencia aunque fue muy duro el trabajo.
Al Dr. Juan R. Avendaño, Dra. Mabel Vaca, IBT Alfredo Moctezuma, Silvia y Ociel Mendiola por su
apoyo para la realización de este trabajo de investigación.
Al laboratorio de calidad del agua y residuos de la UAM Azcapotzalco y al Depto. de Química de la
ESIQUIE- IPN por su apoyo.
A los Dres. Juan Aranda y Edgar Salgado por su amistad, confianza y enseñanzas.
A mis compañeros de laboratorio: Sandra, Pilar, Evelyn, Montse, Alma, Roberto, Julio, Alfredo,
Ociel, Karol, Oscar, Marco, Fabio, Josué y los que me faltó mencionar por su amistad y porque
hicieron más ameno el trabajo.
A mis compañeras y compañeros de la maestría. Sandra, Ilse, Paola, Verenice, Angélica, Gustavo,
Alfonso, Héctor, Israel, Arturo y Francisco. Aprendí mucho de ustedes.
…Gracias por ser el viento debajo de mis alas!
ix
Contenido
ABSTRACT _________________________________________________________________ iv
RESUMEN __________________________________________________________________ v
Indice de Cuadros___________________________________________________________ xii
Indice de Figuras __________________________________________________________ xiii
Lista de Abreviaturas_______________________________________________________ xiv
1. INTRODUCCIÓN _________________________________________________________ 1
1.1 Agua residual: generación y tratamiento ______________________________________ 1
1.2 Coagulación y Floculación __________________________________________________ 4
1.3 Biopolímeros ____________________________________________________________ 6
1.3.1 Galactomananas ____________________________________________________________________ 7
1.3.2 Mucílago de nopal __________________________________________________________________ 10
1.4 Antecedentes ______________________________________________________________ 12
2. HIPÓTESIS _____________________________________________________________ 16
3. JUSTIFICACIÓN _________________________________________________________ 16
4. OBJETIVOS_____________________________________________________________ 17
4.1 General ________________________________________________________________ 17
4.2 Particulares _____________________________________________________________ 17
5. MATERIALES Y MÉTODOS ________________________________________________ 18
5.1 Biopolímeros ___________________________________________________________ 18
5.1.1 Extracción de goma de semilla de mezquite y de mucílago de nopal ________________________ 18
x
5.1.2 Caracterización Reológica de biopolímeros _____________________________________________ 20
5.1.3 Análisis del contenido de metales en biopolímeros ______________________________________ 21
5.1.4 Soluciones de biopolímeros __________________________________________________________ 21
5.1.5 Análisis de la DQO de biopolímeros ___________________________________________________ 21
5.2 Agua Residual ___________________________________________________________ 22
5.2.1 Caracterización del agua residual _____________________________________________________ 22
5.2.2 Potencial Z del agua residual _________________________________________________________ 22
5.2.3 Efecto del pH sobre sedimentación del agua residual ____________________________________ 24
5.3 Coagulación y floculación ____________________________________________________ 25
5.3.1 Prueba de Jarras: condiciones de operación ____________________________________________ 25
5.3.2 Análisis de lodos____________________________________________________________________ 26
5.3.3 Efecto de diferentes dosis y/o valores de pH ____________________________________________ 28
5.3.4 Diseño experimental 3k ______________________________________________________________ 28
5.3.5 Análisis estadístico__________________________________________________________________ 29
5.4 Uso de Sal inorgánica FeCl3 como referencia _____________________________________ 30
6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN _______________________________________________ 31
6.1 Biopolímeros ______________________________________________________________ 31
6.1.1 Caracterización Reológica de biopolímeros _____________________________________________ 31
6.1.2 Análisis de contenido de metales en biopolímeros _______________________________________ 35
6.1.3 Análisis de la DQO en biopolímeros ___________________________________________________ 38
6.2 Agua Residual Municipal _____________________________________________________ 39
6.2.1 Caracterización del Agua Residual Municipal ____________________________________________ 39
6.2.2 Potencial Z del agua residual _________________________________________________________ 40
6.2.3 Efecto del pH sobre la sedimentación del agua residual municipal _________________________ 42
6.3 Coagulación y floculación Agua Residual Municipal _______________________________ 44
6.3.1 Efecto de diferentes dosis y/o valores de pH ____________________________________________ 44
6.3.2 Diseño experimental 3k ______________________________________________________________ 49
6.3.3 Análisis estadístico. Agua Residual Municipal ___________________________________________ 59
6.4 Agua Residual Industrial _____________________________________________________ 65
6.4.1 Caracterización del Agua Residual Industrial ____________________________________________ 65
6.4.2 Potencial Z del agua residual industrial_________________________________________________ 67
6.4.3 Efecto del pH sobre la sedimentación del agua residual industrial __________________________ 68
6.5 Coagulación y floculación Agua Residual Industrial _______________________________ 70
6.5.1 Efecto de diferentes dosis ___________________________________________________________ 70
6.5.2 Diseño experimental 3k ______________________________________________________________ 72
6.5.3 Análisis estadístico. Agua Residual Industrial ____________________________________________ 84
7. CONCLUSIONES_________________________________________________________ 93
8. BIBLIOGRAFIA __________________________________________________________ 97
xi
9. ANEXO 1 Artículo enviado Prosopis y Opuntia en Agua Residual Municipal _____ 105
10. ANEXO 2 Artículo enviado Biopolimeros en Agua Residual Industrial _________ 122
xii
Indice de Cuadros
Cuadro 1. Tratamientos de aguas residuales de tipo físico-químico y biológico .............................. 3
Cuadro 2. Rangos y parámetros del diseño experimental ............................................................. 29
Cuadro 3. Parámetros reológicos de distintas soluciones de biopolímeros. Mucílago a dosis única.
T= 25°C. ....................................................................................................................................... 34
Cuadro 4. Resultados de contenido de metales en biopolímeros y sal .......................................... 37
Cuadro 5. Caracterización inicial de las Aguas Residuales Municipales.......................................... 40
Cuadro 6. Resultados experimentales preliminares de Agua Residual Municipal. Diferentes dosis de
biopolímeros y FeCl3 al pH del agua cruda .................................................................................... 45
Cuadro 7. Resultados experimentales preliminares Agua Residual Municipal. Diferentes valores de
pH a dosis fijada de 75mg/L ......................................................................................................... 46
Cuadro 8 Resultados experimentales preliminares Agua Residual Municipal. Diferentes dosis de
biopolímeros y sal a pH 10 del agua cruda .................................................................................... 48
Cuadro 9. Resultados del Diseño Experimental en el Agua Residual Municipal tratada ................. 52
Cuadro 10.Resultados de lodos del Diseño Experimental Agua Residual Municipal ....................... 55
Cuadro 11. Resultados de metales en lodos del Diseño Experimental Agua Residual Municipal .... 57
Cuadro 12. Coeficientes generados por el análisis estadístico para resultados del Diseño
Experimental del Agua Residual Municipal ................................................................................... 61
Cuadro 13. Ecuaciones generadas con el análisis de regresión del Agua Residual Municipal ......... 63
Cuadro 14. Caracterización inicial del Agua Residual Industrial ..................................................... 66
Cuadro 15. Resultados experimentales preliminares Agua Residual Industrial. Mezquite y
Algarrobo ..................................................................................................................................... 71
Cuadro 16. Resultados experimentales preliminares Agua Residual Industrial. A dosis de 500 mg/L
biopolímeros y sal inorgánica. ...................................................................................................... 71
Cuadro 17. Resultados del Diseño Experimental en el Agua Residual Industrial tratada ................ 76
Cuadro 18. Resultados de los lodos del Diseño Experimental Agua Residual Industrial ................. 79
Cuadro 19. Resultados de metales en los lodos del Diseño Experimental Agua Residual Industrial 81
Cuadro 20. Coeficientes generados por análisis estadístico para resultados del Diseño
Experimental de Agua Residual Industrial..................................................................................... 86
Cuadro 21. Ecuaciones generadas con análisis de regresión en Agua Residual Industrial. ............. 88
xiii
Indice de Figuras
Figura 1. Esquema general del proceso de Coagulación y Floculación ............................................. 6
Figura 2. Estructura de la goma de guar ......................................................................................... 9
Figura 3. Estructura de la goma de algarrobo ................................................................................. 9
Figura 4. Estructura del mucílago de nopal ................................................................................... 11
Figura 5. Método de producción de goma de semilla de mezquite ............................................... 19
Figura 6. Esquema de extracción del mucílago de nopal ............................................................... 20
Figura 7. Potencial Z. (a) Partículas cargadas se repelen unas a otras. (b) Cambio en la densidad de
carga alrededor del coloide y distribución de iones positivos y negativos alrededor del coloide
cargado ........................................................................................................................................ 23
Figura 8. Equipo para Prueba de Jarras ......................................................................................... 25
Figura 9. Conos de Imhoff para cuantificar volumen de lodo generado ........................................ 27
Figura 10. Curvas de Velocidad de deformación vs. Viscosidad de soluciones de biopolímeros.
Mucílago a dosis única. T= 25°C.................................................................................................... 32
Figura 11. Contenido de DQO en los biopolímeros ....................................................................... 38
Figura 12. Potencial Z del aguas residual Municipal a distintos valores de pH .............................. 41
Figura 13. Lodo producido a diferentes valores de pH del Agua Residual Municipal cruda en
mL/L ............................................................................................................................................ 43
Figura 14. Gráficos de valores observados vs. esperados según ecuación para DQO, turbiedad,
volumen de lodo y Cadmio ........................................................................................................... 64
Figura 15. Potencial Z del agua residual Industrial a distintos valores de pH ................................. 68
Figura 16. Lodo producido a diferentes valores de pH del .......................................................... 69
Figura 17. Gráficas de valores observados vs. Esperados en Agua Residual Industrial según
ecuación para DQO, turbiedad, volumen de lodo y cadmio. ......................................................... 89
Figura 18. Mecanismos propuestos de interacción entre biopolímeros y coloides. (a) Floculación
por puenteo (b) adsorción y puenteo. ......................................................................................... 91
xiv
Lista de Abreviaturas
°C Grados centígrados
[ ] Concentración de
% Porcentaje
Al Aluminio
Al Cl3 Cloruro de aluminio
AR Agua residual
APHA American Public Health Association
AWWA American Water Works Association
Ca Calcio
CaCO3 Carbonato de calcio
cPAA Poliacrilamida catiónica
cp Centipoise
CONAGUA Comisión Nacional del Agua
Cr Cromo
Cu Cobre
DENS Densidad
DBO Demanda Bioquímica de Oxígeno
DQO Demanda Química de Oxígeno
DAF Dissolved Air Flotation
Fe Fierro
g/L Gramos por litro
h Hora
H+ Ion hidrogeno
H2SO4 Ácido sulfúrico
i.e Por ejemplo
K Potasio
Kg Kilogramo
L Litro
m Micro mol
S Micro siemens
mg Miligramo
mg/L Miligramo por litro
mg/Kg Miligramo por kilogramo
mL/L Mililitro por litro
mPa Mili pascal
mmol Mili mol
Mg Magnesio
Man/Gal Manosa Galactosa
M/G Manosa Galactosa
xv
n Índice de flujo
Na sodio
NaOH Hidróxido de sodio
Ni Niquel
Ni2+ Ion catiónico de niquel
OH- Ion hidroxilo
Pa Pascal
PAC Cloruro de polialuminio
Pb Plomo
PFC Sulfato poliférrico
Pt Co Puntos de color
R2 Coeficiente de determinación
s Segundo
SAAM Sustancias activas al azul de metileno
SALIN Salinidad
SEMARNAT Secretaría de medio ambiente y recursos naturales
SST Sólidos totales suspendidos
ST Sólidos totales
SV Sólidos volátiles
T Temperatura
Tot Total
TURB Turbiedad
UNT Unidades nefelométricas de turbiedad
VOL Volumen
VOC´s Químicos orgánicos volátiles
WPFC Water Pollution Control Federation
Zn Zinc
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
INTRODUCCIÓN 1
1. INTRODUCCIÓN
1.1 Agua residual: generación y tratamiento
El agua cubre un poco más del 70% de la superficie terrestre y nuestro cuerpo tiene más
del 65% de agua. A lo largo de nuestra vida necesitamos agua limpia para beber, para limpieza,
para preparar alimentos o simplemente para disfrutarla (Kurita, 1999; Sonune y Ghate, 2004). En
la mayor parte de las regiones hidrológico-administrativas de México el uso agrícola supera el 80%
del agua que disponen. Sin embargo, en la región XII-Aguas del Valle de México, el 48% es para uso
agrícola, 45.81% para abastecimiento público, 4.25% para la industria y 1.92% para
termoeléctricas (CONAGUA, 2008).
Si el agua se contamina, pierde su valor económico y estético, se vuelve un peligro para la
salud y sobrevivencia de los seres vivos que dependemos de ésta (Sonune y Ghate, 2004). Todo
uso de este recurso, genera descargas de aguas residuales. De hecho, podemos definir agua
residual como una combinación de líquido con residuos de desecho de hogares, instituciones,
comercios y de las industrias, junto con las aguas subterráneas superficiales y aguas pluviales.
Puede contener sustancias orgánicas o inorgánicas o desechos industriales (Sincero y Sincero,
2003; Sonune y Ghate, 2004).
Las aguas residuales se pueden clasificar en 4 categorías (Sonune y Ghate, 2004):
a) Domesticas: agua residual descargada de residencias e instituciones comerciales o
similares a éstas.
b) Industriales: agua residual en que predominan desechos industriales.
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
INTRODUCCIÓN 2
c) Infiltradas: aguas extrañas que entran al sistema de alcantarillado de forma directa o
indirecta como fugas o grietas.
d) Agua pluvial: agua que escurre de inundaciones debido a precipitaciones.
En México, la CONAGUA las clasifica en municipales: que son manejadas en sistemas de
alcantarillado municipales, urbanos y rurales. Y las aguas residuales industriales que son
descargadas directamente a cuerpos receptores de propiedad nacional (CONAGUA, 2008).
De acuerdo a Jern (2006) las diferencias entre aguas residuales municipales e industriales
radican en su origen. Las aguas residuales domésticas provienen de sanitarios de viviendas,
oficinas, fábricas comerciales y varias propiedades institucionales. Es una mezcla compleja que
contiene principalmente agua (aproximadamente el 99%) junto con componentes orgánicos e
inorgánicos. Este tipo de aguas contienen desechos humanos y un gran número de
microorganismos algunos de ellos son patógenos. Estas aguas tienen un patrón de flujo que por lo
general muestra dos picos en la mañana antes del inicio de la jornada laboral y por la noche
después que la población ha regresado del trabajo.
Por otra parte, las aguas residuales industriales, tienen composiciones muy variadas
dependiendo del tipo de industria y materiales procesados. Algunas pueden ser de tipo orgánico
muy fuerte y fácilmente biodegradables o con inorgánicos que en gran medida son inhibidores
potenciales. Lo cual significa que los Sólidos Solubles Totales (SST), Demanda Bioquímica de
Oxígeno (DBO5) y Demanda Química de Oxígeno (DQO) pueden ser de decenas de miles de mg/L. A
diferencia de aguas residuales municipales, sus valores de pH irán en un rango más amplio.
Incluso, estas aguas pueden tener altas concentraciones de sales de metales disueltos. El patrón
de flujo de aguas residuales industriales pueden ser muy diferentes a las municipales ya que en las
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
INTRODUCCIÓN 3
primeras se ven influenciadas por la naturaleza de las operaciones dentro de una fábrica (Sonune y
Ghate, 2004; Jern, 2006).
En México en el 2007, las descargas municipales fueron de 243 m3/s, de los cuales sólo se
le dio tratamiento al 32.6% (79 m3/s). Las industria generó 188.7 m3/s, tratando el 15.84% (29.9
m3/s) (CONAGUA, 2008).
Por muchos años, el tratamiento de aguas residuales estaba destinado a reducir el
contenido de sólidos suspendidos, materiales que demandan oxígeno, compuestos inorgánicos
disueltos y bacterias nocivas. En años más recientes, se han propuesto métodos básicos de
tratamiento de agua municipal que incluyen tratamientos primarios como desarenador, cribado,
pulido y sedimentación. Un tratamiento secundario que se basa principalmente en oxidación de
materia orgánica disuelta. Y un tratamiento terciario con métodos biológicos avanzados para
remover nitrógeno y métodos físico químicos como filtración granular y absorción con lodo
activado (Sonune y Ghate, 2004).
Otra forma de clasificar los métodos para tratamiento de aguas residuales es cuando se
distinguen de manera general como físico-químicos y biológicos (Cuadro 1) (Sincero y Sincero,
2003).
Cuadro 1. Tratamientos de aguas residuales de tipo físico-químico y biológico
FISICO-QUÍMICOS BIOLÓGICOS
Coagulación-Floculación-Sedimentación
Ósmosis
Precipitación química
Oxidación avanzada
Filtración (ultra, micro)
Lodos activados
Lagunas de estabilización
Filtros sumergidos
Filtros percoladores
Reactores anaerobios
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
INTRODUCCIÓN 4
Los procesos fisicoquímicos pueden servir para favorecer la sedimentación de la materia
en suspensión y más aún son útiles para eliminar la materia coloidal y los sólidos orgánicos
disueltos, los cuales sin reactivos químicos jamás sedimentarían. Estas sustancias son muchas
veces las responsables de la turbiedad, color y DBO de las aguas residuales. Este tipo de procesos
son más costosos que los biológicos, sin embargo las limitaciones de los biológicos para tratar
residuos tóxicos como metales y sustancias orgánicas sintéticas ha hecho que los procesos
fisicoquímicos sean adaptados para descargas industriales de características agresivas a los
procesos biológicos. A veces se usan como un tratamiento previo al biológico y otras veces como
un tratamiento único (Ramírez, 1992)
A pesar de que existen nuevos desarrollos en el tratamiento de aguas residuales, es
necesario aplicar el más apropiado para evitar problemas como contaminación. La selección del
tratamiento debe ser cuidadosamente llevado a cabo teniendo en cuenta la calidad del agua, uso
del agua, condiciones de funcionamiento de un sistema, entre otros (Kurita, 1999).
1.2 Coagulación y Floculación
Generalmente los efluentes de los sistemas de tratamiento primario contienen materiales
finamente divididos y coloides, los cuales por sus características fisicoquímicas no pudieron ser
separados por dicho tratamiento. Los coloides son partículas que se mantienen en suspensión
debido a su tamaño extremadamente pequeño (1 a 200 m), a su estado de hidratación y a su
carga eléctrica superficial (Ramírez, 1992).
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
INTRODUCCIÓN 5
Debido a las impurezas o coloides que son demasiado pequeñas para obtener un proceso
de eliminación eficiente por sedimentación, es preciso llevar a cabo otro procedimiento donde se
formen agregados de mayor tamaño y sea más fácilmente decantable con el fin de obtener una
separación satisfactoria por sedimentación (Sincero y Sincero, 2003; Weeber, 2003).
La coagulación es la desestabilización de un coloide a partir de la neutralización de su
carga eléctrica y la agregación de partículas finas en suspensión (Fig. 1). Ésta se lleva a cabo por
medio de compuestos químicos que son adicionados al agua residual para propiciar la formación
de flóculos. En la coagulación se efectúan reacciones químicas que desestabilizan las partículas en
suspensión, propiciando su unión para formar flóculos y mediante agitación mecánica controlada,
se facilita el encuentro de las partículas, acelerando el proceso de floculación (Ramírez, 1992;
Weeber, 2003; Sincero y Sincero, 2003).
La floculación implica que por medio de sustancias químicas (polímeros, polielectrolitos) se
aumente el contacto entre las partículas finas en la coagulación para formar flóculos los cuales
sedimentan más fácilmente (Fig. 1). La floculación se ve favorecida por la agitación moderada del
agua residual, por medio de paletas a baja velocidad. Si la agitación es demasiado rápida, los
flóculos se rompen, por ello debe controlarse la velocidad dentro de un rango en el que se puedan
formar los flóculos grandes para que sedimenten. Los polielectrolitos que se usan en floculación
pueden ser de origen natural o sintético. Su funcionamiento depende del tamaño, densidad y
carga de las partículas a flocular y del pH del polímero en solución (Ramírez, 1992; Singh et al.,
2000; Weeber, 2003; Sincero y Sincero, 2003).
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
INTRODUCCIÓN 6
Figura 1. Esquema general del proceso de Coagulación y Floculación
Tomado de Kurita, 1999
Los químicos usados en coagulación y floculación son inorgánicos y orgánicos. De los
primeros se usan sales metálicas trivalentes como sulfato de aluminio III, cloruro de aluminio III,
sulfato de hierro III y cloruro de hierro III. De los químicos orgánicos se usan polímeros no iónicos,
catiónicos o aniónicos en los que la densidad de carga puede variar de baja a alta, dependiendo de
la composición del copolímero. El polímero más usado es la poliacrilamida (Ramírez, 1992).
Nacheva et al. (1996) usaron coagulación y floculación en el tratamiento de aguas residuales con
cloruro férrico y otros polímeros sintéticos. También se usaron polímeros naturales que tienen
propiedades coagulantes-floculantes.
1.3 Biopolímeros
Los polímeros naturales o biopolímeros son producidos por todos los organismos vivos. Se
acepta que son biodegradables ya que se producen de forma natural, aunque con polímeros como
la lignina, la biodegradación puede ser muy lenta (Swift, 1997).
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INTRODUCCIÓN 7
Los polímeros son moléculas unidas que forman moléculas grandes (Jaimes, 1995). Se han
empleado polímeros naturales para purificar agua. Sin embargo, comparados con aluminio,
algunas ventajas del uso de polímeros en el tratamiento de aguas son (Bolto y Gregory, 2007):
a) Se requieren dosis bajas
b) Se produce menos lodo
c) Es poco el incremento en la carga orgánica del agua tratada
d) Reduce el nivel de aluminio en el agua tratada
e) Ahorro en costo hasta 25-30%
Los polímeros usados en el tratamiento de agua residual son hidrosolubles y
principalmente son sintéticos y se han usado como floculantes. Entre los polímeros naturales se
han usado goma guar, almidón y ácido algínico como floculante (Bolto y Gregory, 2007).
1.3.1 Galactomananas
Un tipo de polímeros naturales son las galactomananas que se han usado de ayuda como
floculantes en separaciones sólido-líquido y varían en su estructura, peso molecular,
biodegradabilidad y facilidad para formar disoluciones (Bolto y Gregory, 2007).
Las galactomananas son polisacáridos neutros de estructura lineal formados por una
cadena central de D-manosa unidas por enlaces (1-->4), a la cual se enlazan residuos de (1-->6)-
D-galactosa en distinta proporción, dependiendo del origen botánico (López-Franco et al., 2006).
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INTRODUCCIÓN 8
Las galactomananas se encuentran en el endospermo de la semilla de las leguminosas como
fenogreco, guar, algarrobo y mezquite o incluso en el endospermo del tomate, semillas de café y
otras del grupo de las Convolvulaceae, Asteraceae y Arecaceae. El grado de sustitución de
galactosas varia el radio Man/Gal (M/G) de 1.1 a 3.5 y tiene un efecto drástico en la dureza de la
semilla o en su capacidad para retener agua (Mathur y Mathur, 2005; Pinto et al., 2007; Otegui,
2007; Wu et al., 2009).
Las galactomananas son importantes para las semillas por sus propiedades hidrofílicas que
permiten al endospermo retener agua durante la temporada de sequia, proteger al embrión de
desecación. Incluso, son movilizadas como medio de reserva durante la germinación de las
semillas. Las galactomananas han sido ampliamente utilizadas con aplicaciones industriales. Por
ejemplo, gomas guar y algarrobo se usan en la industria de los alimentos como viscosificantes,
estabilizantes y agentes gelificantes (Mathur y Mathur, 2005; Srivastava y Kapoor, 2005; Otegui,
2007; Chairez-Martínez et al., 2008)
La goma guar se obtiene de la semilla de una leguminosa: la planta guar, Cyamopsis
tetragonolobus. El mayor productor y exportador es India, es importante como alimento para
humanos y animales. La goma es una galactomanana de alto peso molecular contiene un gran
número de unidades de manosas y galactosas unidas 1:2 (Fig. 2). Esta goma es utilizada como
floculante o agente de sedimentación (www.guargum.co.in, Jaimes, 1995, Bhaskar y Ako, 2005).
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
INTRODUCCIÓN 9
Figura 2. Estructura de la goma de guar
Tomado de pharmainfo.net
La goma algarrobo o bien conocida como locust bean gum, proviene de la planta Cetatonia
siliqua, una leguminosa típica del Mediterráneo. Se usa en la industria alimenticia como producto
en panadería, en la industria textil, papel, petróleo, farmacéutica y cosméticos. Esta goma es un
polisacárido de galactomananas, la cadena consiste en 1:4 unidades de manosa y galactosa (Fig.
3). El radio M/G es de 3.5. La goma algarrobo se aplica como floculante ya que es un agente que
acelera la velocidad de sedimentación (Jaimes, 1995; Dakia et al., 2008;
www.foodproductdesign.com/articles/2009/10/locust-bean-gum-good-as-gold.aspx).
Figura 3. Estructura de la goma de algarrobo
Tomado de pharmainfo.net
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
INTRODUCCIÓN 10
La goma de mezquite se extrae de otra leguminosa, del árbol Prosopis juliflora. El mezquite
se cultiva en América, en México en zonas áridas y semiáridas. Se usa para obtención de leña,
carbón, miel y en la elaboración de productos alimenticios para animales y para el hombre. La
semilla está compuesta por un polisacárido de las galactomananas con unidades de manosas y
galactosas. El radio M/G es 1.1 (Pinto et al., 2007). Esta goma tiene potencial aplicación industrial
ya que contiene propiedades emulsificantes como otras galactomananas (López-Franco et al.,
2006).
1.3.2 Mucílago de nopal
El mucílago de Opuntia ficus contiene complejas sustancias poliméricas de naturaleza de
carbohidratos. Es una sustancia pegajosa que se produce en células del colénquima y parénquima
que ayuda al cactus a retener agua. Se ha reportado que contienen proporciones variantes, según
la especie de Opuntia, de D-galactosa, L-arabinosa, D-xilosa y L-ramnosa así como ácido D-
galacturónico. Por su composición química se asemeja a las pectinas, elementos estructurales de
las paredes celulares primarias e intracelulares de las plantas superiores (Sepúlveda et al., 2007;
Miretzky et al., 2008; Miller et al., 2008).
La composición de las pectinas es un esqueleto de cadenas de (1-->4) ácido D-
galacturónico interrumpido por la inserción de residuos (1-->2) L-ramnopiranosil en posición
adyacente o alterna (Goycoolea y Cárdenas, 2003; Sepúlveda et al., 2007; Miller et al., 2008).
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INTRODUCCIÓN 11
El nopal, una especie endémica de América, crece en regiones áridas y semiáridas. Del
género Opuntia, es un alimento muy importante en la región, además se usa como aditivo para
pinturas o se le dan usos medicinales (Miller et al., 2007). En sus pencas o cladodios se encuentra
agua retenida en un entramado de carbohidratos llamados mucílagos (Ríos y Quintana, 2004). En
el mucílago de sus frutos se ha reportado que se compone de una compleja mezcla de
polisacáridos, de los cuales la mitad son del tipo de pectina (Matsuhiro et al., 2006). Se ha descrito
que el mucílago de los cladodios contiene ramnosa, arabinosa, galactosa y xilosa, y que tiene
relación con el almacenamiento de calcio formando estructuras caja de huevos (Fig. 4) (Goycoolea
y Cárdenas, 2003). Se ha reportado que el mucílago tiene propiedades coagulantes (Zhang et al.,
2006, Miller et al., 2008).
Figura 4. Estructura del mucílago de nopal
Tomado de Goycoolea y Cárdenas, 2003
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INTRODUCCIÓN 12
1.4 Antecedentes
El método de coagulación y floculación ha empleado exitosamente sales de Fierro o
Aluminio como coagulante y polímeros sintéticos como floculantes. Nacheva et al. (1996) usaron
FeCl3 como coagulante y diversos polímeros sintéticos para tratar aguas residuales de la Ciudad de
México. Reportaron que con dosis de 20 a 30 mg/L de FeCl3 y con polímeros aniónicos a 0.2 y 1.5
mg/L de éstos remueven el 84% de SST y de 48 a 55% de DQO.
Es interesante el estudio de Mattei et al. (2005) en el que trataron agua residual municipal
de 5 plantas de tratamiento usando como coagulante sulfato de aluminio [Al2(SO4)3] para
optimizar su uso. Probaron dosis de hasta 450 mg/L obteniendo como máxima remoción de DQO
el 80% pero a valores de pH entre 6 y 8. Los autores reconocen que aunque el aluminio es un
coagulante efectivo, sus residuos en el agua son tóxicos y tienen efectos nocivos para la salud.
El FeCl3 se ha reportado hasta con remociones de DQO de 88% en aguas residuales de una
fábrica microelectrónica. Sin embargo es a dosis entre 600 y 1100 mg/L a pH de 8. Incluso se
asegura que la tasa de remoción incrementa con la dosis de FeCl3 (Aboulhassan et al., 2006a). Otro
caso es cuando se logra remover el 82% de DQO de aguas residuales de industria de pinturas con
FeCl3 a dosis de 650 mg/L más un polímero sintético (Aboulhassan et al., 2006b).
Otro caso en que se usa FeCl3 a dosis de 3000 mg/L a pH 5.6 con poliacrilamida catiónica
(cPAA) a 175 mg/L mejoran la filtración del agua tratada. Esta combinación alcanzó a remover el
75.5% de DQO en agua residual de la industria petroquímica (Verma et al., 2010).
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INTRODUCCIÓN 13
La Red Iberoamericana de Potabilización y depuración del agua hizo un estudio para
optimizar coagulación-floculación en una planta potabilizadora de agua de lluvia. Evaluaron sales
metálicas de fierro o aluminio con floculantes sintéticos y unos naturales como almidón de papa y
goma de nopal. Torres et al. (2009) trataron aguas residuales generadas del lavado de suelos
contaminados con hidrocarburos por medio de coagulación y floculación. La mejor combinación
de coagulante y floculantes fue con FeCl3 y Tecnifloc 998 a dosis de 4,000 y 1 mg/L,
respectivamente. A pH de 5 y lograron remover el 97.1% de DQO. En este trabajo reportan haber
usado coagulantes naturales como gomas de algarrobo, guar y alginato que alcanzaron
remociones convenientes de DQO y sólidos obteniendo un pH final más adecuado.
En otros estudios, han usado extractos o gomas naturales de plantas. Por ejemplo,
Beltrán-Heredia y Sánchez-Martín (2009a) usaron extracto de Moringa oleífera por su alta
capacidad floculante para remover hasta el 70% de la turbiedad de agua residual. Señalan que este
extracto es altamente recomendado, especialmente en países desarrollados, donde es difícil
encontrar productos fáciles de manejar. Estos autores también analizaron la remoción de lauril
sulfato de sodio por coagulación y floculación usando Moringa oleífera removiendo el 80% de
éste. Además probaron otros coagulantes naturales como almidón, mucílago de nopal y goma
tara, combinados con polímeros sintéticos (Beltrán-Heredia y Sánchez-Martín, 2009b).
Otro polisacárido de grado alimenticio el mucílago de Plantago psyllium ha sido evaluado
para remover colorantes de aguas textiles. El mucílago reduce la concentración del colorante pos
floculación y sedimentación. La concentración óptima del floculante es independiente de la
concentración del colorante (Mishra y Bajpai, 2004). Este mismo mucílago se ha reportado como
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INTRODUCCIÓN 14
exitoso en la remoción de residuos sólidos de efluente textil. El máximo de remoción de sólidos
fue de 90% después de 5 horas a pH de 4. La dosis óptima fue de 1.6 mg/L (Mishra et al., 2002).
Un polisacárido natural, la goma de fenogreco (Trigonella foenumgraecum) se ha usado
como agente floculante para remover sólidos suspendidos y disueltos de un efluente de agua
residual. La dosis óptima de este mucílago fue de 0.16 mg/L a un pH alcalino y tiempo requerido
de tratamiento de 1-3 h (Mishra et al., 2003).
Sen Gupta y Ako (2005) usaron goma guar como floculante ayuda en el tratamiento de
agua potable. Reportan que la goma incrementa la proporción de partículas coloidales
desestabilizadas. La goma combinada con una sal de aluminio reduce la turbiedad del agua de 26.5
a 1.0 unidades. Concluyen que la goma guar es una alternativa segura para sustituir el uso de
poliacrilamida en el tratamiento de agua para beber.
El cactus también ha sido estudiado como coagulante en el tratamiento de agua. Cuando
se combina con AlCl3 se alcanzan remociones de turbiedad y DQO mayores que si se usaran el
cactus y el AlCl3. Proponen que el cactus tiene futuro para su aplicación a gran escala, pero su
desarrollo está limitada al laboratorio (Zhang et al., 2006).
Miller et al. (2007) estudiaron el mecanismo y eficacia de Opuntia spp como coagulante
natural usando aguas sintéticas. Opuntia removió el 98% de la turbiedad y sugieren que el
mecanismo de coagulación es por puenteo (bridging).
Si bien hay estudios que reportan el uso de polímeros naturales en la coagulación y
floculación para tratar aguas residuales, éstos han sido empleados como ayuda en el proceso o en
algunos casos, con aguas sintéticas.
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
INTRODUCCIÓN 15
Las tres galactomananas comerciales de mayor importancia en la industria son goma guar,
goma tara y goma algarrobo. Sin embargo, la tendencia actual es la introducción de fuentes
alternativas de gomas de semillas por lo que es importante buscar fuentes renovables alternas. En
América latina hay fuentes de galactomananas que no están muy estudiadas, a pesar de la riqueza
biológica de la flora local y el clima favorable para su producción (Cerqueira et al., 2009). Por otra
parte existe la necesidad de diseñar y desarrollar tecnologías de tratamiento de aguas simples
para comunidades en desarrollo. Una opción puede ser el uso de productos alternativos que sean
menos caros, inocuos, renovables, disponibles localmente y fácil de implementarse (Miller et al.,
2008).
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
HIPÓTESIS 16
2. HIPÓTESIS
Si los polímeros naturales como las gomas guar, algarrobo, mezquite y mucílago de nopal
tienen propiedades coagulantes y floculantes, entonces pueden usarse en el tratamiento de aguas
residuales municipales e industriales con eficiencias de remoción iguales o mejores que las de los
productos sintéticos. Adicionalmente, el uso de polímeros naturales produciría lodos de mayor
biodegradabilidad.
3. JUSTIFICACIÓN
La escasez de agua para consumo humano es grave a nivel mundial y más aún si a menos
del cincuenta por ciento de las aguas residuales generadas se les da un tratamiento. Existen
muchos métodos para tratar aguas residuales, ya sea de tipo municipal o industrial. Uno de ellos
es la coagulación-floculación que tiene la finalidad de eliminar las partículas coloidales que otros
métodos no pueden remover. Se han utilizado sales de fierro o aluminio y polímeros sintéticos, los
cuales generan lodos poco biodegradables. Con el uso de polímeros naturales como goma de guar,
algarrobo, mezquite y mucílago de nopal se pueden generar lodos más biodegradables.
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
OBJETIVOS 17
4. OBJETIVOS
4.1 General
Estudiar el tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y determinar
la biodegradabilidad de los lodos generados con distintas gomas, en comparación con los
generados al emplear cloruro férrico.
4.2 Particulares
1) Caracterizar las aguas residuales municipales e industriales a emplear en el proyecto.
2) Desarrollar métodos para la obtención de dos de los productos naturales (mucílago de
nopal y goma de mezquite).
3) Identificar las dosis y condiciones óptimas para la coagulación y floculación de las aguas
residuales empleando las gomas naturales, utilizando cloruro férrico como referencia.
4) Caracterizar los lodos generados empleando las gomas naturales y el cloruro férrico en
cuanto a su volumen, densidad, biodegradabilidad y contenido de metales.
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MATERIALES Y MÉTODOS 18
5. MATERIALES Y MÉTODOS
5.1 Biopolímeros
Las gomas de semillas de algarrobo y goma guar empleadas son de grado alimenticio y se
obtuvieron en la Droguería Cosmopolita.
5.1.1 Extracción de goma de semilla de mezquite y de mucílago de
nopal
La goma de semilla de mezquite no se comercializa, por lo que se extrajo en el laboratorio.
Las vainas de mezquite se colectaron en Silao Guanajuato, México. Las semillas se removieron de
la vaina. El endospermo se encuentra dentro de las vainas cubierto por una capa rígida, muy
similar a la lenteja. Los endospermos se extrajeron usando una solución de NaOH diluida.
Posteriormente, los endospermos se molieron y tamizaron. (Fig. 5). El polvo blanco fue lavado con
hexano en un sistema Soxhlet hasta que se eliminen las grasas que contiene. El polvo se secó a
temperatura ambiente y se guardó en un frasco de vidrio hasta su uso.
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
MATERIALES Y MÉTODOS 19
Figura 5. Método de producción de goma de semilla de mezquite
El mucílago de nopal no se comercializa y lo que se utilizó fue el agua de desecho de la
cocción de los nopales, el subproducto que contiene mucílago Los cladodios de Opuntia sp. se
compraron en un mercado local en la Ciudad de México. Éstos se lavaron, se cortaron en pedazos
pequeños y se hirvieron con poca agua durante 30 minutos. Los nopales se colaron y el mucílago
(baba de nopal) se separó (Fig. 6). Se produjeron 880 mL por cada Kg de nopal. Al mucílago se le
determinaron sólidos totales (ST) a 100°C por 24 horas. Luego se determinaron sólidos finales (SF)
a 550°C durante 2 horas y se determinaron los Sólidos volátiles (SV) considerando SV=ST-SF (APHA,
AWWA, WPFC, 1995). Los sólidos volátiles son los que se usaron para calcular la concentración del
mucílago obteniéndose 8,386 mg/L. El mucílago de nopal se almacenó en un frasco ambar a 4°C
hasta su uso.
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
MATERIALES Y MÉTODOS 20
Figura 6. Esquema de extracción del mucílago de nopal
5.1.2 Caracterización Reológica de biopolímeros
Los polímeros solubles en agua forman soluciones viscosas a concentraciones al 1% o
menores. La viscosidad de soluciones de polímeros está influenciada por el volumen
hidrodinámico de las cadenas de polímeros y por lo tanto es función de su forma, masa molecular
y densidad de carga electrostática (Williams, 2007). Se estudió la reología de soluciones (2%, 1%,
0.75% y 0.5%) de gomas de guar, algarrobo y mezquite así como del mucílago de nopal en un
reómetro Reoplus a 25°C.Los datos reológicos crudos se ajustaron a la ley de la potencia:
= K n-1 (1)
En su forma lineal:
Log = log K + (n-1) log (2)
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
MATERIALES Y MÉTODOS 21
Donde es la viscosidad (Pa.s), K es el índice de consistencia y n es el índice de flujo
(adimensional) con una R2 que indica el grado de ajuste de los datos a la ecuación de la potencia o
Ley de Ostwald de Waele (Beltrán y Marcilla, 2011).
5.1.3 Análisis del contenido de metales en biopolímeros
A los biopolímeros gomas de guar, algarrobo, mezquite y mucílago de nopal, así como a
FeCl3 se les aplicó análisis de determinación de metales según la NMX-AA-51-1981.
5.1.4 Soluciones de biopolímeros
Para los experimentos de la prueba de jarras se prepararon soluciones 1%, 0.5% y 0.25%
de gomas de guar, algarrobo y mezquite y se almacenaron a 4°C.
5.1.5 Análisis de la DQO de biopolímeros
Con la finalidad de conocer la cantidad de materia orgánica que aportan los biopolímeros,
se determinó DQO a éstos, de acuerdo a métodos estandarizados (APHA, AWWA, WPFC, 1995).
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
MATERIALES Y MÉTODOS 22
5.2 Agua Residual
Se colectó agua residual municipal después del desarenador en la Planta de Tratamiento
de Aguas Residuales de San Juan Ixhuatepec, Estado de México. La muestra de agua residual
industrial proviene del influente de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales en una industria
de cosméticos. Las muestras se almacenaron a 4° C hasta su uso.
5.2.1 Caracterización del agua residual
Antes de que las muestras de agua residual sean tratadas, es importante conocer sus
constituyentes físicos y químicos (Sincero y Sincero, 2003). A las muestras de aguas residuales se
les determinaron algunos parámetros fisicoquímicos como pH, conductividad, color, turbiedad,
DQO, DBO5, sólidos totales (ST), dureza como carbonato de calcio (CaCO3), sustancias activas al
azul de metileno (SAAM), grasas y aceites y algunos metales como: Aluminio (Al), Cromo (Cr),
Fierro (Fe) y Plomo (Pb) de acuerdo a métodos estandarizados (APHA, AWWA, WPFC,1995).
5.2.2 Potencial Z del agua residual
La repulsión de las partículas coloidales es debido a fuerzas eléctricas que poseen (Fig. 7a).
Un coloide negativo y su atmósfera cargada positivamente producen un potencial eléctrico
relativo a la solución. Este tiene un valor máximo en la superficie y disminuye gradualmente con la
distancia, aproximándose a cero fuera de la capa difusa (Fig. 7b). La caída del potencial y la
distancia desde el coloide es un indicador de la fuerza repulsiva entre los colides. El potencial
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
MATERIALES Y MÉTODOS 23
donde se unen la capa difusa y la de Stern es lo que se conoce como potencial zeta. Éste es
importante porque puede ser medido de manera muy simple, mientras que la carga de la
superficie y su potencial no pueden medirse. El potencial zeta puede ser una manera efectiva de
controlar el comportamiento del coloide puesto que indica cambios en el potencial de la superficie
y en las fuerzas de repulsión entre los coloides (Sincero y Sincero, 2003).
a) b)
Figura 7. Potencial Z. (a) Partículas cargadas se repelen unas a otras. (b) Cambio en la densidad de carga alrededor del coloide y distribución de iones positivos y negativos alrededor del coloide cargado
Tomado de Zeta Meter Inc.
El potencial zeta es una medida de la estabilidad de los coloides. Para desestabilizarlos, el
potencial zeta debe ser reducido y puede lograrse con la adición de químicos (Sincero y Sincero,
2003). Los valores del potencial zeta de las aguas residuales se determinaron con un zetámetro
nanoseries modificando el pH de las muestras desde un valor de 2 a 12 a temperatura ambiente.
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
MATERIALES Y MÉTODOS 24
5.2.3 Efecto del pH sobre sedimentación del agua residual
La sedimentación se define como el mecanismo mediante el cual las partículas
suspendidas se separan por fuerzas de gravedad. La coagulación y floculación implica la adición de
compuestos que inducen la rápida agregación y sedimentación de las partículas suspendidas
(Wang et al., 2005a). El objetivo de la sedimentación es remover partículas sedimentables sin la
adición de polímeros o sal inorgánica. Para determinar diferencias a distintos valores de pH, éste
se ajustó en las aguas residuales de 3 a 10. Se midió en conos de Imhoff el volumen de lodo
producido en 1L de agua residual cuantificando la cantidad sedimentada de lodos cada 5 minutos
durante una hora.
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
MATERIALES Y MÉTODOS 25
5.3 Coagulación y floculación
5.3.1 Prueba de Jarras: condiciones de operación
La prueba de jarras es el método más utilizado para determinar la dosis de coagulante y
parámetros asociados. El objetivo de la prueba es simular el proceso a gran escala de coagulación-
floculación en el laboratorio (Sincero y Sincero, 2003). En la Figura 8 se muestra el equipo de
prueba de jarras Phipps & Bird Co. PB-700 empleado en este proyecto.
Figura 8. Equipo para Prueba de Jarras
La prueba de jarras se realizó en recipientes de 1 L que se llenan con agua cruda. En cada
uno se prueban las dosis (i.e., 50, 100, 150, 500 y 750 mg/L) de los coagulantes-floculantes (guar,
algarrobo, mezquite, mucílago de nopal y para comparar con el cloruro férrico). Se agrega el
coagulante al mismo tiempo en los diferentes vasos y se empieza una agitación rápida de 100 rpm
por 3 minutos, se deja flocular con una agitación lenta de 20 rpm durante 15 minutos. A
continuación se deja sedimentar durante 20 minutos sin agitación(Torres et al., 2009).
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
MATERIALES Y MÉTODOS 26
A cada muestra de agua, antes y después de prueba de jarras se les determinó DQO, pH,
conductividad y turbiedad (APHA, AWWA, WPFC, 1995) y volumen del lodo producido (inciso
5.3.2). Con la finalidad de evaluar el porcentaje de remoción de los coagulantes-floculantes y así
determinar las dosis y condiciones óptimas de coagulación-floculación de los polímeros (Torres et
al., 2009).
En el caso del Agua Residual Industrial debido a su alto contenido de grasas se hizo un
análisis adicional. Después de los experimentos de pruebas de jarras, se tomó muestra de 100 mL
del sobrenadante y se le determinaron grasas y aceites por método volumétrico en Soxhlet (APHA,
AWWA, WPFC, 1995) para cuantificar si hubo remoción de éstas.
5.3.2 Análisis de lodos
En el tratamiento de aguas residuales se generan lodos y su desecho representa un alto
costo e impacto al ambiente, por ello, es importante caracterizarlo física y químicamente para
aplicarles acondicionamiento adecuado para su desecho o reciclaje (Jaimes, 1995).
Para evaluar la calidad de los lodos generados, se determinaron el volumen generado,
densidad, DBO5/DQO. El procedimiento para el volumen generado es pasando un litro de muestra
de la prueba de jarras a un cono Imhoff (Fig. 9) y dejar sedimentar por una hora, al término del
tiempo se mide el volumen ocupado por el lodo (Jaimes, 1995).
Para obtener la densidad, después de cada tratamiento en prueba de jarras, se separan
100 mL del agua tratada. El peso del lodo se determinó pasando los 100mL en un filtro Whatman
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
MATERIALES Y MÉTODOS 27
113 y se eliminaron los restos de agua. Se seca (60°C), se pesa el papel filtro antes y después del
filtrado y se calcula el peso del lodo. La densidad se calcula dividiendo el peso entre el volumen del
lodo (Jaimes, 1995).
Figura 9. Conos de Imhoff para cuantificar volumen de lodo generado
La determinación de la relación DBO5/DQO es para obtener la biodegradabilidad del lodo
producido (Jaimes, 1995; Sincero y Sincero, 2003). El lodo producido en cada tratamiento de la
prueba de jarras se secó a 100°C y después se le determinaron DBO5, DQO según métodos
estandarizados (APHA, AWWA, WPFC, 1995).
También se determinó contenido de metales (i.e., As, Cd, Zn, Cu, Cr, Pb, Ni, Hg) por el
método espectrofotométrico de absorción atómica (NMX-AA-51-1981).
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MATERIALES Y MÉTODOS 28
5.3.3 Efecto de diferentes dosis y/o valores de pH
Se realizaron varias pruebas preliminares para seleccionar las condiciones óptimas para
coagulación y floculación:
a) Agua Residual Municipal
A pH del agua residual con diferentes dosis de biopolímeros y FeCl3 (50, 75, 125 y 150
mg/L). Después a diferentes valores de pH (5, 7, 9 y 10) del agua residual con dosis única
de 75mg/L de biopolímeros y sal. Finalmente a pH 10 del agua residual y diferentes dosis
(50, 75, 100, 125 y 150 mg/L) de biopolímeros y sal.
b) Agua Residual Industrial
A pH del agua residual, mezquite a 100 mg/L. Después algarrobo a diferentes dosis (150,
200, 500 y 1000 mg/L). Finalmente todos los biopolímeros y FeCl3 a 500 mg/L
5.3.4 Diseño experimental 3k
Los resultados de los experimentos preliminares a diferentes dosis y/o pH permitieron
establecer rangos y parámetros de un diseño experimental 3k . El modelo permite estudiar tres
factores con tres niveles cada uno (Montgomery, 1991). En este trabajo se estudiaron tres factores
(tipo de biopolímero, dosis de biopolímero y carga orgánica inicial del agua residual como DQO) y
cada factor tiene tres niveles (-1, 0, 1) (Cuadro 2).
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
MATERIALES Y MÉTODOS 29
Se usaron tres valores de carga orgánica (DQO) inicial del agua residual: baja, media y alta
(Cuadro 3). Las diferentes cargas orgánicas de DQO se prepararon sedimentando sólidos del agua
residual original y desechando parte del agua, para obtener aguas con DQO bajas y adicionando
más agua residual cruda para DQO alta.
Cuadro 2. Rangos y parámetros del diseño experimental
Parámetros
Rangos
Tipo de biopolímero Dosis de biopolímero
(mg/L)
Carga orgánica
(mg DQO /L)
Agua Residual
Municipal
-1 Goma Guar 25 700
0 Goma Mezquite 50 1,300
1 Mucílago de nopal 75 1,400
Agua Residual
Industrial
-1 Goma Guar 150 6,000
0 Goma Algarrobo 300 10,200
1 Mucílago de nopal 500 13,300
5.3.5 Análisis estadístico
Se realizó un análisis estadístico ANOVA y análisis de regresión múltiple usando Statistical
Product and Service Solutions - SPSS 14.0 (Windows SPSS Inc. USA). El análisis de regresión
permite determinar en qué medida una variable dependiente (o de respuesta) puede estar
definida por las variables independientes (parámetros o factores). Este análisis arroja coeficientes
que son útiles para elaborar ecuaciones y así analizar comportamientos. Además de que nos
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
MATERIALES Y MÉTODOS 30
indican cuál parámetro tiene más peso sobre los resultados. Para establecer diferencia significativa
se usó la prueba Fisher (F) y el modelo fue evaluado con nivel de confianza de 95%.
5.4 Uso de Sal inorgánica FeCl 3 como referencia
Se utilizó Cloruro férrico (FeCl3) de grado analítico como testigo o referencia. Se preparó
una solución 0.5% para emplearse en la prueba de jarras y se almacenó a 4°C hasta su uso.
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 31
6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
6.1 Biopolímeros
6.1.1 Caracterización Reológica de biopolímeros
Las soluciones de galactomananas muestran comportamiento similar a concentraciones de
0.5 a 2% (excepto algarrobo a 0.5%) como fluidos pseudoplásticos a 25°C. En la Figura 10 se
observa que la viscosidad se reduce conforme aumenta la velocidad de deformación. Esta
pseudoplasticidad se puede explicar en base a la formación y ruptura de interacciones entre las
moléculas de polímeros y al traslape de las mismas. En el caso de algarrobo a 0.5% éste representa
un comportamiento más newtoniano en que la viscosidad no cambia considerablemente.
Se evaluaron mucílagos producidos con dos lotes de nopales. El mucílago generado del
proceso de cocción de nopales presenta una viscosidad muy baja (Fig. 10) muy cercana a la del
agua (viscosidad agua = 1cp = 1mPa). Cárdenas et al. (1997) reportaron comportamiento
pseudoplástico que se hace más pronunciado conforme se incrementa la concentración de
mucílago empleado en soluciones desde 0.4% hasta 5.8% de mucílago en polvo. Como el mucílago
de nopal tiene una estructura parecida a la pectina, se comparan los resultados que Yaseen et al.
(2005) reportan con soluciones de pectinas de 0.05 a 0.1% las cuales presentan comportamiento
newtoniano.
Según se ha reportado (Srivastava y Kapoor, 2005; Williams, 2007) las gomas naturales
cuando están completamente dispersas en agua a una concentración 1%, producen soluciones
viscosas, no-newtonianas y pseudoplásticas. Con soluciones de más baja concentración (0.5%), la
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 32
pseudoplasticidad es menos evidente y las soluciones tienden a adoptar propiedades
newtonianas.
Figura 10. Curvas de Velocidad de deformación vs. Viscosidad de soluciones de biopolímeros. Mucílago a dosis única. T= 25°C.
En este trabajo, los resultados coinciden con los reportados por Wu et al. (2009) donde
soluciones 0.5% de algarrobo y guar presentan comportamiento pseudoplástico. Por su parte
Dakia et al. (2008) reportan comportamiento pseudoplástico en algarrobo cuando lo solubilizan
tanto a 80°C como a 25°C al 1%. Así mismo afirman que el incremento de la temperatura favorece
la solubilización del biopolímero. Chairez-Martínez et al. (2008) reportan como fluidos no
newtonianos las soluciones 0.1 a 0.5% de mezquite, algarrobo y guar. Yaseen et al. (2005) también
0.01
0.1
1
10
100
1000
0.1 1 10 100
Vis
cosi
dad
(P
a.s)
Velocidad de formación (1/s)
Algarrobo
2%
1.50%
1%
0.75%
0.50% 0.01
0.1
1
10
100
1000
0.1 1 10 100
Vis
cosi
dad
(P
a.s)
Velocidad de formación (1/s)
Guar
2%
1.50%
1%
0.75%
0.50%
0.01
0.1
1
10
100
1000
0.1 1 10 100
Vis
cosi
dad
(P
a.s)
Velocidad de formación (1/s)
Mezquite
2%
1.50%
1%
0.75%
0.50% 0.001
0.01
0.1
1
10
100
1000
1 10 100
Vis
cosi
dad
(P
a.s)
Velocidad de formación (1/s)
Mucilago de nopal
lote 1
lote 2
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 33
afirman que la goma guar y algarrobo tienen comportamiento pseudoplástico con soluciones al
0.2%.
Algunas propiedades como concentración, tasa de deformación, tiempo, temperatura, pH
y otros factores afectan notoriamente el comportamiento reológico de las galactomananas en
soluciones acuosas (Srivastava y Kapoor, 2005). Williams (2007) menciona que puede haber
dificultad en la dispersión de una solución de polímero viscoso en una mezcla viscosa. Sugiere
aplicar una solución a una concentración por lo general a 0.3%. Incluso se resalta la necesidad del
acondicionamiento de una instalación en donde una solución madre de biopolímero 0.5-1% se
diluya al inyectarse. Con esto habrá mejoras de costos y en la eficiencia del proceso de coagulación
y floculación. Por ello, en este trabajo las soluciones 1, 0.5 y 0.25% de las galactomananas
(algarrobo, guar y mezquite) fueron las más útiles para emplearse en la prueba de jarras porque se
usó menos volumen de la solución y por su baja viscosidad. Además de la fácil dispersión de las
galactomananas en las aguas residuales para que funcionen como coagulante-floculante durante
el tiempo de agitación rápida y lenta, respetivamente. La aplicación de estos biopolímeros en el
tratamiento de aguas residuales sugiere que éstos se solubilicen a temperatura ambiente como se
hizo en este trabajo.
En el cuadro 3 se presentan los parámetros reológicos de viscosidad como son n el índice
de flujo; K índice de consistencia y R2 que es el grado de ajuste del modelo. De acuerdo a la ley de
Newton, la viscosidad es el cociente entre esfuerzo y velocidad de deformación. De modo que el
valor de la pendiente de las curvas de flujo es n-1. Por ello si n=1 el fluido es newtoniano, es decir
que no hay pendiente y que la viscosidad no cambia. Pero si n<1 tiene comportamiento
pseudoplástico (Beltrán y Marcilla, 2011). En las soluciones de gomas de algarrobo y guar, los
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 34
valores del índice de flujo (n) aumentan conforme disminuye la concentración, lo que confirma
que los biopolimeros se acercan al comportamiento newtoniano a concentraciones más bajas.
Además de que el grado de ajuste es cercano a 1 (i.e R2 de 0.86 a 0.98). El mezquite no varía
mucho su valor de n (entre 0.30 a 0.40). El mucílago presentó valores de n que reflejan que se
acerca a un comportamiento newtoniano bajo esas condiciones (n= 0.67 a 0.75).
Cuadro 3. Parámetros reológicos de distintas soluciones de biopolímeros. Mucílago a dosis única. T= 25°C.
[ ] Algarrobo
[ ] Mezquite
% n k R2
% n k R2
2 0.36 49.73 0.97
2 0.33 61.19 0.98
1.5 0.28 31.05 0.98
1.5 0.40 33.45 0.97
1 0.55 5.24 0.96
1 0.35 10.14 1.00
0.75 0.73 0.99 0.90
0.75 0.30 5.49 0.98
0.5 0.87 0.11 0.86
0.5 0.33 0.66 0.96
[ ] Guar
[ ] Mucílago
% n k R2
% n k R2
2 0.33 49.15 0.98
Lote 1 0.75 0.01 0.93
1.5 0.40 24.52 0.97
Lote 2 0.67 0.01 0.96
1 0.51 6.68 0.96
0.75 0.62 1.73 0.95
0.5 0.75 0.25 0.98
Dakia et al. (2008) reportaron que una solución 1% de goma guar a 25°C tiene un índice de
consistencia K= 1.89 e índice de flujo n= 0.82. O bien, Yassen et al. (2005) han asegurado que la
solución 0.5% de goma xantana tiene una k= 1.55 y n=0.40. Valores que también corresponden a
un comportamiento pseudoplástico.
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 35
6.1.2 Análisis de contenido de metales en biopolímeros
El contenido de metales presentes en los biopolímeros empleados en este trabajo se
presenta en el Cuadro 4.
El mucílago de nopal presentó los valores más altos en todos los metales analizados. Sin
embargo, tomando en cuenta la NOM-004-SEMARNAT-2002 como comparación, el contenido de
Cu, Ni, Zn y Pb se encuentra por debajo de los límites permisibles para metales pesados en
biosólidos.
Algunos de los llamados nutrimentos de las plantas, sean macro, micronutrimentos o
benéficos como Ca, Mg, K, Fe y Na (Bidwell, 1993) se encontraron en valores superiores. Sin
embargo, esto puede suceder porque algunos elementos de los que se compone depende de
varios factores como el pH, disponibilidad de agua, textura y composición del suelo donde crece la
planta (Hernández-Urbiola et al., 2011).
Otro dato a resaltar es el contenido de Ca en el mucílago de nopal (56,760 mg/Kg).
Recordemos que Goycoolea y Cárdenas (2003) aseguran que el mucílago en presencia de Ca
favorece la captación de agua por la planta. Incluso se ha reportado que los nopales jóvenes son
ricos en Ca y este incrementa de acuerdo a la edad de los nopales (Hernández-Urbiola et al.,
2011).
El FeCl3 como era de esperarse, presenta la más alta concentración de Fe (188,201 mg/Kg).
El contenido de Cu es similar al que presentan las gomas algarrobo y guar. Pero presenta más
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 36
concentración de Al, Mg y Ni que las galactomananas pero menos que el mucilago de nopal. Los
metales que presenta en menor cantidad que los biopolímeros son Ca, K, Na y Pb (Cuadro 4)
.
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 37
Cuadro 4. Resultados de contenido de metales en biopolímeros y sal
METALES (mg/Kg)
Al Ca Cu Fe K Mg Na Ni Zn Pb As Cd Cr Hg
Algarrobo <11.2 611.00 3.21 126.38 2,071.00 377.00 10,077.00 4.52 25.50 29.80
Guar <11.2 1,500.00 2.71 141.25 1,806.00 338.00 5,633.00 4.61 27.15 25.81
Mezquite 14.89 3,977.00 11.42 157.21 613.00 487.00 3,739.00 4.04 45.08 25.44
Mucílago
de nopal 1,114.06 56,760.00 37.19 330.76 292,618.00 48,416.00 9,675.00 37.05 156.63 39.01
FeCl3 44.81 348.01 5.042 188,201.06 40.967 3,316.4 340.08 22.29 267.79 11.26 1.09 1.46 9.10 0.14
c
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 38
6.1.3 Análisis de la DQO en biopolímeros
En la Figura 11 se presenta para cada biopolímero los mg de DQO por cada mg de
bipolímero que pueden aportar a las aguas tratadas y lodos generados. Algarrobo aporta 0.45,
guar 0.52, mezquite 0.65 y en menor cantidad el mucílago con 0.17 mg DQO/mg biopolímero.
Es necesario destacar que este tipo de información no se ha reportado hasta el momento.
Lo cual es de suma importancia porque se cree que los biopolímeros podrían aportar suficiente
carga orgánica y en vez de beneficiar éstos incrementarían la DQO de las aguas tratadas.
Figura 11. Contenido de DQO en los biopolímeros
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
algarrobo
guar
mezquite
mucílago de nopal
0.45
0.52
0.65
0.17
mg DQO / mg biopolímero
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 39
6.2 Agua Residual Municipal
6.2.1 Caracterización del Agua Residual Municipal
La caracterización inicial del agua residual municipal se presenta en el Cuadro 5. La
relación DBO5/DQO es 0.34, lo que indica que el 34% del material que puede ser degradado por
microorganismos en 5 días a temperatura ambiente.
El pH del agua residual municipal es muy cercano al neutro (6.91) La DQO es de 1,141.3
mg/L. Sincero y Sincero (2003) reportan que las aguas residuales domésticas tienen 250 mg/L de
DQO si son bajas y las aguas residuales fuertes tienen hasta 1,000 mg/L. La muestra empleada en
este proyecto se acerca a los rangos de DQO reportados por Sincero y Sincero (2003), Devi y
Dahiya (2008) con 1,080 mg/L de DQO en agua domestica y DBO de 505 mg/L. Incluso, Nacheva et
al. (1996) en un estudio con aguas residuales del Gran Canal y Drenaje profundo de la Ciudad de
México reportan valores de DQO entre 300 y 468 mg/L y Sólidos totales entre 465 y 925 mg/L, que
son más bajos que los obtenidos en las muestras empleadas en este trabajo.
Así mismo, la turbiedad del agua residual municipal es de 537 UNT. Las SAAM del 117.25
mg/L. Los metales evaluados se presentaron en bajas cantidades, sin embargo, estuvieron
superiores a los publicados por Nacheva et al. (1996) en aguas del Gran Canal y Drenaje Profundo.
Ellos reportan entre 1.0-1.4 mg/L de Al, 0.02-009 mg/L de Cr, 0.7-0.9 mg/L de Fe y 0.01-0.03mg/L
de Pb. En este trabajo, el Cr es el más parecido a esos valores.
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 40
Cuadro 5. Caracterización inicial de las Aguas Residuales Municipales
Parámetro Unidades A.R. Municipal
pH Unidades 6.91
Conductividad S 2,003
Color Pt Co 2,010
Turbiedad UNT 537
DBO5 mg/L 391.1
DQO mg/L 1,141.3
S.T. mg/L 1,591
Dureza (CaCo3) mg/L 379.57
Grasas y Aceites mg/L 76.66
SAAM mg/L 117.25
Al mg/L 2.007
Cr mg/L 0.034
Fe mg/L 2.099
Pb mg/L 0.310
6.2.2 Potencial Z del agua residual
En la Figura 12 se presenta el potencial zeta del agua residual municipal a diferentes
valores de pH. Como era de esperarse los valores de este potencial son negativos ya que la mayor
parte de los coloides de aguas residuales desarrollan una carga primaria negativa (Weeber, 2003).
Debido a que este tipo de aguas residuales contienen principalmente materia orgánica (de origen
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 41
proteínico) y contienen varias combinaciones de grupos amino y carboxilo, lo que hace que
usualmente tengan carga negativa a pH mayores a 4 (Wang et al., 2005a).
Notablemente, al pH de agua municipal (6.9) y entre valores de 2 a 9 de pH, el potencial
zeta se encuentra en la zona en que las partículas coloidales son menos estables (-20 a +20).
Con la adición de un ácido o base se agregan H+ y OH- a la muestra de agua residual y las
partículas coloidales se ionizan tanto en sus grupos carboxílicos y aminos dándoles una carga
neutral formando un zwitterion. En este punto, la partícula se neutraliza y las fuerzas de repulsión
y de van der Waals disminuyen lo que las hace menos estables (Sincero y Sincero, 2003; Wang et
al., 2005a).
Figura 12. Potencial Z del aguas residual Municipal a distintos valores de pH
Cuando el pH del agua residual es mayor a 10 (hasta 12) se eleva el potencial zeta a una
zona de mayor estabilidad, porque la adición de grupos OH- neutraliza la parte ácida del zwitterion
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
po
ten
cial
Z
pH
mas estable
mas estable
menos estable
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 42
(NH3+) y toda la partícula tiene carta negativa. Por eso son mayores las fuerzas de repulsión y
menores las de van der Waals haciéndolas más estables (Sincero y Sincero, 2003; Wang et al.,
2005a).
Algunos autores señalan que la floculación óptima ocurre a dosis de polielectrolitos donde
el potencial zeta está cercano a cero (Bolto y Gregory, 2007). Afortunadamente al pH del agua
cruda municipal, el potencial zeta se encuentra en la zona de menos estabilidad lo cual es útil para
el buen funcionamiento de los biopolímeros. Además de que no se tiene que modificar el pH para
la coagulación y floculación, ya que generalmente después de este tratamiento se pasa a un
tratamiento biológico en el que se requiere que esté lo más cercano a la neutralidad.
6.2.3 Efecto del pH sobre la sedimentación del agua residual
municipal
Si bien la sedimentación es el proceso en que las partículas suspendidas son separadas de
una suspensión por fuerza gravitacional, las velocidades de sedimentación dependen de la forma,
tamaño, gravedad específica de las partículas, así como la viscosidad, temperatura y quiescencia
del líquido (Wang et al., 2005a). En este trabajo se midió la sedimentación durante 1 hora.
En la Figura 13 se observa el volumen de lodo producido cuando el agua residual se pone a
sedimentar sólo por fuerza gravitacional a diferentes valores de pH sin la adición de ningún
biopolímero o sal inorgánica.
Valores de pH ácidos 3, 4 y 5 producen una pequeña cantidad de lodo (0.5 mL/L). Para el
valor de pH neutro y una unidad más básico (8) se produce un ligero aumento (1.3 mL/L) pero con
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 43
pobre sedimentación. Notoriamente, a pH=10 hubo un aumento en el volumen del lodo
teniéndose inicialmente 60 mL/L y al final de los 60 minutos se compactó a 40 mL/L.
Figura 13. Lodo producido a diferentes valores de pH del Agua Residual Municipal cruda en mL/L
Se ha reportado que la adición de una sal o un incremento en el pH satura el medio de OH-
Se forman precipitados y las partículas coloidales son atrapadas por ellos y sufren una co-
precipitación (Wang et al., 2005a). Por ello, cuando el pH del agua cruda municipal se eleva a 10
hay una saturación de OH- y se produce más lodo.
0
10
20
30
40
50
60
70
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
pH
1
0
Lo
do
Pro
du
cid
o
mL
/ L
pH
4
-8
L
od
o P
rod
uci
do
m
L /
L
T (min)
pH 4 pH 5 pH 6 pH 7 pH 8 pH 10
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 44
6.3 Coagulación y floculación Agua Residual Municipal
6.3.1 Efecto de diferentes dosis y/o valores de pH
Pruebas preliminares
Cabe aclarar que debido a los resultados las pruebas con mucílago se incrementaron las
dosis de 22 y 100 mg/L. En el cuadro 6 se presentan los resultados de la prueba de jarras realizada
con Agua Residual Municipal a pH 7 con diferentes dosis. Los polímeros naturales alcanzaron
remociones de DQO mayores al 50% (i.e., mezquite a 50, 75 y 150 mg/L) y FeCl3 alcanzó su máxima
remoción a 150 mg/L (93%). La turbiedad alcanzó remociones altas con mucílago (de 32 a 52%) y
FeCl3 un máximo de 37%. El volumen de lodo producido alcanzó su máximo a mayor dosis (150
mg/L) para algarrobo, guar, mezquite y FeCl3 y mucílago alcanzó su máxima producción a 125 mg/L
(8 mL/L). Respecto al pH para todos los ensayos no se modificó notoriamente, manteniéndose lo
más cercano a la neutralidad.
Es notorio que conforme aumentan las concentraciones, las remociones de DQO y
turbiedad disminuyen. Wang et al. (2005a) han propuesto 4 zonas que tienen que ver con las dosis
de los coagulantes:
Zona 1. En la que no hay suficiente coagulante para desestabilizar los coloides.
Zona 2. Hay suficiente coagulante que favorece la desestabilización de los coloides.
Zona 3. Hay exceso de concentración del coagulante que puede dar lugar a revocación de
carga y estabilizar las partículas coloidales.
Zona 4. En el caso de uso de sales metálicas, hay sobresaturación con OH- y las partículas
coloidales sufren co-precipitación.
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 45
Cuadro 6. Resultados experimentales preliminares de Agua Residual Municipal. Diferentes dosis de biopolímeros y FeCl3 al pH del agua cruda
Dosis (mg/L)
Biopolímero
Remoción DQO
(%)
Remoción Turbiedad
(%)
Lodo producido
(mL/L) pH final
22 50 75 100 125 150 22 50 75 100 125 150 22 50 75 100 125 150 22 50 75 100 125 150
Algarrobo
0 8.87
0 0
27 13
12 1.2
1.5 1.4
2 2.3
7 7.07
7.07 7.28
Guar
22.2 22.2
0 4.43
6 19
31 15
1.5 1.9
2 2.3
7 6.97
7.13 7.26
Mezquite
57.7 53.2
26.6 57.7
0 0.6
18 12
1 1.5
2.4 2.5
7.1 7.04
7.14 7.04
mucílago de
nopal 54.48 43.58 29.1 14.5 7.26 0 54.48 52 43.2 37 32 37 4 4 4.5 7.5 8 5 7.69 7.5 7.38 7.3 7.29 7.2
FeCl3
0 35.5
0 93.2
14 27.5
37 19
0.9 1
2 2.5
7.1 6.92
7.01 7.13
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN 46
Cuadro 7. Resultados experimentales preliminares Agua Residual Municipal. Diferentes valores de pH a dosis fijada de 75mg/L
pH
biopolímero
Remoción DQO
(%)
Remoción Turbiedad
(%)
Lodo producido
(mL/L) pH final
5 7 9 10 5 7 9 10 5 7 9 10 5 7 9 10
algarrobo 16.3 57 65.2 40 32 70 71.5 71 4 4 13 65 5.3 7.45 8.96 9.92
guar 24.4 73.3 65.2 80 33 73 62.5 70 7 5 11 70 4.7 7.56 8.98 9.92
mezquite 4.07 24.1 44.8 90.5 30 72.5 72.5 70 3.5 3 12 65 5.3 7.5 9 9.94
mucílago de nopal 50.85 29.1 0 50.9 3.1 43.2 59 61 5.5 4.5 16 40 5.2 6.52 7.13 9.15
FeCl3 12.2 89.6 65.2 63.9 26 67.6 64.2 70 6 6 15 73 5.2 7.08 9.05 9.94
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN 47
En el cuadro 7 se presentan los resultados de la prueba de jarras a una dosis fija (75 mg/L)
de biopolímeros y sal modificándose en este caso el pH del agua municipal cruda. Remociones de
DQO superiores al 50% para los polímeros naturales a pH 9 para algarrobo y guar a pH 7, 9 y 10.
Mezquite a pH 10 y mucílago a pH 5 y 10. Las remociones de turbiedad superaron hasta el 70%
para las galactomananas a pH 7, 9 y 10. El mayor volumen de lodo se presentó a pH 10 para todos
los polímeros naturales y FeCl3 (11- 73 mL/L). El pH no se modifica notoriamente, excepto con
mucílago que lo disminuye cuando el agua residual tiene valores de 7, 9 y 10.
Los resultados de la prueba de jarras a pH 10 del agua cruda con diferentes dosis de
biopolímeros y sal se muestran en el cuadro 8. El mezquite removió 77% DQO a 100 mg/L cuando
el FeCl3 removió 85% a 50 mg/L. La turbiedad se removió en más del 70% para algarrobo (50
mg/L), guar (100 y 125 mg/L), mezquite (50 mg/L). El lodo producido se incrementaba en relación
directa con la dosis de algarrobo, guar, mezquite y FeCl3, no así para mucílago. El pH a mayores
dosis bajaba en su valor, excepto para mucílago que se vio reducido conforme aumentaba la dosis
de éste.
Estas pruebas preliminares permitieron establecer los rangos y parámetros del diseño
experimental para agua residual municipal. Al pH del agua cruda (6.91) cercano al 7 se decidió
hacerlo ya que modificar el pH implica un aumento en costos y riesgo para el funcionamiento de
un tratamiento biológico posterior.
Sin embargo, algunos autores han demostrado la efectividad de algunos coagulantes y
floculantes con dosis entre las propuestas en este trabajo. Se ha estudiado el FeCl3 en coagulación
y floculación, encontrándose su dosis óptima de 30 a 80 mg/L combinado con polímero sintético
en aguas residuales del Drenaje Profundo y del Gran Canal en la Ciudad de México (Nacheva et al.,
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN 48
1996). Otros autores proponen como dosis óptima del cactus de 50mg/L en aguas sintéticas
(Zhang et al., 2006). O bien con agua sintética de diferentes turbiedades Miller et al. (2008)
proponen como dosis óptima de Opuntia de 5-15 mg para baja turbiedad, 15-35 mg para
turbiedad media y 35-55 mg/L para turbiedad alta. A pesar de que unos autores han investigado
otros productos naturales como el mucílago de Plantago psyllium con dosis óptima de 1.6 mg/L
con agua de efluente textil (Mishra et al., 2002) y el mucílago de fenogreco con una dosis más baja
de 0.16 mg/L con agua residual doméstica e industrial.
Se ha asegurado que el rango de dosificación del coagulante que desencadena el inicio,
final o la eliminación en la coagulación y floculación, depende de la concentración de partículas
coloidales y el valor del pH (Wang et al., 2005a). Este fue uno de los retos que enfrentó este
trabajo, la determinación de la dosis del biopolímero, entre otros.
Cuadro 8 Resultados experimentales preliminares Agua Residual Municipal. Diferentes dosis de biopolímeros y sal a
pH 10 del agua cruda
Dosis (mg/L)
biopolímero
Remoción DQO
(%) Remoción Turbiedad (%) Lodo producido (mL/L) pH final
50 100 125 150 50 100 125 150 50 100 125 150 50 100 125 150
Algarrobo 20.3 36.6 24.4 16.3 74.5 65.7 69.6 55.88 50 45 58 62 10 10 9.92 9.94
Guar 69.3 0 0 69.3 66.17 75.5 74.01 64.21 50 55 60 62 10 9.93 9.85 9.94
Mezquite 61.1 77.4 0 48.9 78.43 68.1 66.17 53.43 55 55 60 65 10 9.91 9.95 9.98
mucílago de
nopal 0 0 0 0 28.92 0 0 0 45 12 1.4 1 9.2 8 7.3 6.63
FeCl3 85.5 20.3 36.6 28 73.03 72.5 68.13 48.52 55 60 68 70 10 9.94 9.89 9.96
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN 49
6.3.2 Diseño experimental 3k
a) Resultados en el agua tratada
En el diseño experimental del agua residual municipal se utilizaron tres biopolímeros;
goma guar, mezquite y mucílago de nopal y FeCl3 como testigo. Tres dosis de estos 25, 50 y 75
mg/L con tres cargas orgánicas del agua residual. En el Cuadro 9 se presentan los resultados de pH
final, remoción de salinidad, turbiedad y DQO del agua tratada bajo estas condiciones.
El pH inicial del agua residual era de 6.91. Después de los tratamientos, el pH final con las
galactomananas (gomas de guar y mezquite) osciló entre 7.23 y 7.66. Con el mucílago varió de 7.1
a 7.39. Con el FeCl3 de 7.32 a 7.55. Para todos los casos, el valor del pH se incrementó ligeramente
(Cuadro 9).
El pH es un factor muy importante para el proceso de coagulación y floculación. Primero,
porque es deseable que su valor no cambie. Segundo, se desea que el pH final se acerque a la
neutralidad después de este tratamiento. Además de que para el tratamiento de aguas residuales
municipales, se sugiere que la coagulación y floculación sea un tratamiento primario o pre-
tratamiento para disminuir parte de los coloides y sólidos orgánicos e inorgánicos disueltos. Y
después de este, se proceda a un tratamiento secundario o biológico, para el cuál un pH cercano a
la neutralidad es óptimo (Sonune y Ghate, 2004)
En cuanto a la remoción de salinidad (medida como conductividad) que no es una
característica del proceso de coagulación y floculación, en algunos casos se removieron sales
disueltas por fenómeno de arrastre o co-precipitación. Respecto a las galactomananas, la goma
guar removió de 3.25 a 3.75% de la salinidad. La goma de mezquite osciló entre 1.8 y 9.91%,
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 50
siendo la mejor remoción en el experimento 15. El mucílago en menor cantidad removió de 0.1 a
0.5% la salinidad. El FeCl3 sólo removió 0.2 y 1.1 % a las dosis de 25 y 50 mg/L (Cuadro 9).
En términos de remoción de turbiedad (Cuadro 9) la goma guar presentó la remoción más
alta (74%) en el experimento 3 con 50 mg/L y su mínima remoción fue de 65% (experimento 4).
Las remociones de la goma de mezquite oscilaron entre 59.94% (experimento 14) y 73.09%
(experimento 10), esta última con 25 mg/L.
El mucílago de nopal removió de 45% (experimento 6) a 72.5% (experimento 8) con 75
mg/L (Cuadro 9). Zhang et al. (2006) señalan que el uso de cactus con AlCl3 removieron hasta el
90% de la turbiedad en agua residual y que la dosis óptima para el cactus es 50 mg/L. Por otro
lado, Miller et al. (2008) aseguran que Opuntia spp. y M. oleífera reducen la turbiedad en 92 y 99%
en el tratamiento de agua sintética para potabilizar. Sin embargo, los investigadores usaron todo
el nopal y en este trabajo se usó el mucílago producido por la cocción de los nopales aunado a que
se utilizó como único producto en el proceso de coagulación y floculación.
En cuanto al FeCl3 la remoción de la turbiedad incrementó con la dosis, presentando
valores de 71.08% (25 mg/L) y 75.42% (75 mg/L) (Cuadro 9). Nacheva et al. (1996) reportaron que
el FeCl3 removió más del 70% de la turbiedad a dosis mayores a 50 mg/L.
Los resultados de remoción de DQO para las galactomananas fueron de 32% (experimento
4 con goma guar) a 56% (experimento 13 con goma de mezquite). El mucílago alcanzó remociones
de DQO entre 22% (experimento 6) a 45.26% (experimento 7). El FeCl3 removió entre 60%
(experimento 17) y 65% (experimento 26, con la dosis más baja) (Cuadro 9).
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 51
Torres et al. (2009) encontraron que al usar coagulantes naturales como la goma guar se
alcanzan remociones de DQO y sólidos a un valor de pH más adecuado. Zhang et al. (2006)
reportaron que cactus con AlCl3 removieron 60% de DQO en agua residual. En este trabajo el
mucílago removió hasta 45% pero como único producto en coagulación y floculación.
Tomando en cuenta que los experimentos se corrieron con tres cargas orgánicas de DQO
del agua residual (725, 1,325 y 1,425 mg/L), las remociones de DQO pueden parecer similares. Sin
embargo cuando analizamos los mg de DQO removidos (Cuadro 9) encontramos que de los
polímeros naturales, la goma de mezquite tuvo la remoción más alta (800 mg de DQO removidos)
a dosis de 50 mg/L en el experimento 13. Otros valores interesantes de goma de mezquite fueron
700 mg removidos (experimento 10) y 733 mg (experimento 11). Otra galactomanana, la goma
guar removió 633 mg de DQO (experimento 2) y 733 (experimento 1). El mucílago removió 600 mg
(experimentos 7 y 8) y 633 mg (experimento 5). El FeCl3 con valores más altos, removió 866 mg
(experimento 17) y 933 mg (experimento 16).
Si analizamos los resultados de DQO desde una nueva perspectiva dividiendo el total de
mg de DQO removido entre la dosis de polímero o sal se tienen datos más interesantes. La goma
guar removió 29.33 mg DQO por cada miligramo de ésta (experimento 1). La goma de mezquite 28
mg / mg polímero (experimento 10), el mucílago de nopal 25.33 mg / mg polímero (experimento
5). Por su parte, el FeCl3 removió 37.33 mg / mg sal (experimento 16). Es importante remarcar que
para todos los casos anteriores, la dosis de los polímeros y sal en las pruebas de jarras fue de 25
mg/L (Cuadro 9).
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 52
Cuadro 9. Resultados del Diseño Experimental en el Agua Residual Municipal tratada
SALINIDAD TURBIEDAD DQO
no.
experimento
Tipo
biopolímero
Dosis
(mg/L) Carga * pH final
Remoción
(%)
Remoción
(%)
Remoción
(%) mg removidos
mg removidos/
mg polímero
(mg/mg)
1
guar
25 3 7.23 0 72.7 51.44 733.34 29.33
2 50 3 7.21 3.759 71.56 44.42 633.34 12.66
3 50 2 7.33 3.467 74.57 37.72 500 10
4 75 1 7.66 3.25 65.78 32.16 233.34 3.11
5
mucílago de
nopal
25 3 7.14 0.506 71.08 44.42 633.34 25.33
6 50 1 7.36 0 45.78 22.97 166.67 3.33
7 50 2 7.39 0.138 68.64 45.26 600 12
8 75 3 7.1 0 72.53 42.09 600 8
9
mezquite
25 1 7.56 4.015 60.52 45.94 333.34 13.33
10 25 2 7.6 5.894 73.09 52.81 700 28
11 50 3 7.24 1.807 71.08 51.44 733.34 14.66
12 50 3 7.23 4.049 66.74 46.76 666.7 13.33
13 50 3 7.37 0 68.19 56.12 800 16
14 75 1 7.65 0 59.47 36.75 266.67 3.55
15 75 2 7.47 9.916 70.12 42.75 566.67 7.55
16
FeCl3
25 3 7.36 0.289 71.08 65.47 933.34 37.33
17 50 3 7.32 1.156 73.49 60.79 866.67 17.33
18 75 3 7.55 0 75.42 63.13 900 12
* 1= 725mg DQO/L *2= 1,425 mg DQO/L *3= 1,325 mg DQO/L
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 53
Retomando los resultados de DQO de los biopolímeros (Fig. 11) tenemos que la goma guar
tiene 0.52 mg DQO por cada mg de ésta lo que corresponde haber aportado el 1.7% de los 9.33 mg
DQO que removió por cada mg de biopolímero adicionando en el experimento 1. El mezquite
aportó 2.3% de lo que removió en el experimento 10. Finalmente el mucílago adicionó el 0.67%
del DQO removido en el experimento 5.
b) Resultados del diseño experimental en el lodo generado
Las características del lodo generado de los experimentos del diseño experimental en agua
residual municipal se presentan en el Cuadro 10. El volumen del lodo producido aumenta de
acuerdo a la carga orgánica del agua residual. Para carga baja se produjo entre 3 y 7 mL/L, para
carga alta de 15 a 20 mL/L y para carga media de 10 a 13 mL/L. Según los datos estadísticos del
Cuadro 12, hubo varianza de 26.2 con significancia de 0 (sig < 0.1) indicando que hay diferencia
significativa entre los diferentes tratamientos.
Con el peso del lodo producido, este varía de 0.136 a 0.178 g/L para carga orgánica baja,
0.274 a 0.496 g/L para carga alta y para carga media de 0.188 a 0.496 g/L (Cuadro 10).
Respecto a la densidad del lodo, para carga orgánica baja obtuvo entre 0.025 a 0.053 g/L,
para carga alta 0.017 a 0.028 g/L y para media alta 0.019 a 0.039 g/L (Cuadro 9).
Se ha reportado que la cantidad de agua en lodos generados es más del 90% de éstos
(Oropeza, 2006). Incluso Vigueros et al. (2000) determinaron humedades del 68 al 82% en lodos
producidos en plantas de tratamiento de aguas de varias regiones de México. Si bien en este
trabajo no se determinó cantidad de agua, se puede sugerir que estos lodos también presentan
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 54
altas cantidades de agua, dado que su densidad es muy similar en todos los tratamientos del
diseño experimental.
La DQO del lodo producido (Cuadro 10) arrojó valores desde 4,325 hasta 24,325 mg
DQO/L.
Debido a la poca cantidad de lodo producido en los ensayos, solo se pudieron repetir
pruebas para obtener suficiente material para determinar el radio DBO5/DQO en las experimentos
con dosis de 50 mg/L, con carga orgánica alta. Este radio DBO5/DQO es de 0.096 para goma guar,
0.098 para mucílago de nopal, 0.091 para mezquite y 0.123 para FeCl3. Si bien el radio DBO5/DQO
del agua cruda municipal era de 0.34 antes de los tratamientos este valor bajó después de la
coagulación y floculación. Esto puede deberse a la capacidad de adsorción de metales que se
discute más adelante.
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 55
Cuadro 10.Resultados de lodos del Diseño Experimental Agua Residual Municipal
LODO
No
experimento
Tipo
biopolímero
Dosis
(mg/L) Carga *
volumen
(mL/L)
peso
(g/L)
densidad
(g/L)
mg
DQO/L
DBO/DQO
(con 50
mg/L de
biopolímero)
1
guar
25 3 10 0.258 0.026 9658.8
2 50 3 13 0.362 0.028 20992.16 0.096
3 50 2 15 0.420 0.028 16658.8
4 75 1 7 0.178 0.025 6992.16
5
mucílago de
nopal
25 3 13 0.342 0.026 15325.5
6 50 1 4 0.136 0.034 5325.5 0.098
7 50 2 20 0.496 0.025 8992.16
8 75 3 13 0.352 0.027 10992.1
9
mezquite
25 1 3 0.158 0.053 4325.5
10 25 2 18 0.328 0.018 6658.8
11 50 3 10 0.280 0.028 24325.5 0.091
12 50 3 10 0.356 0.036 12658.8
13 50 3 9 0.310 0.034 9325.5
14 75 1 4 0.166 0.042 5658.8
15 75 2 16 0.274 0.017 8325.5
16
FeCl3
25 3 8 0.314 0.039 6992.1
17 50 3 10 0.406 0.041 7992.1 0.123
18 75 3 10 0.188 0.019 6325.5
Amuda y Amoo (2007) han propuesto que el lodo producido depende del coagulante
usado y de las condiciones de operación. En su trabajo, usaron FeCl3 + un polielectrolito (PAA no
iónico) en aguas residuales de una industria de bebidas. Aseguran que el volumen de lodo se
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 56
reduce cuando se aumenta la dosis del polielectrolito. Incluso indicaron que generalmente
polímeros orgánicos generan menos lodo que las sales inorgánicas porque no adicionan peso o
iones químicamente combinados en agua formando precipitados. En este trabajo se produjo
similar cantidad de lodo con la sal inorgánica que con los biopolímeros dado que se usa un solo
producto en la coagulación y floculación.
El contenido total de los metales analizados en los lodos presenta una amplia variación en
su concentración (Cuadro 11). En general, los lodos contienen altas cantidades de Zn y Cu y
contenido relativamente bajo de Pb, Ni, Cd, Hg y muy escasa cantidad de As.
Una variación similar en la concentración de metales en lodos es la que reportan Wang et
al. (2005b). Sin embargo, ellos determinaron concentraciones más altas de Cd, Cr, Zn y Cu. En
cambio, las concentraciones de Pb y Ni de este trabajo de tesis fueron mayores.
El Samrani et al. (2008) investigaron la remoción de metales pesados mediante
coagulación con aguas de alcantarillado usando FeCl3 y PAC (Cloruro de polialuminio). Encontraron
una excelente eliminación de metales con un estrecho rango alrededor de la dosis óptima del
coagulante. Fu y Wang (2011) emplearon floculantes como PAC, PFS (sulfato poliférrico) y PAA
(poliacrilamida). Aseguran que cuando el pH de la muestra de agua es bajo, las sustancias
coloidales con carga negativas coagulan, pero el ion Ni2+ catiónico no puede removerse muy bien.
Cuando el pH es alto, la remoción de la turbiedad disminuye y la remoción de Ni2+ aumenta.
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN 57
Cuadro 11. Resultados de metales en lodos del Diseño Experimental Agua Residual Municipal
Metales (mg/Kg)
no.
experimento
Tipo
biopolímero
Dosis
(mg/L) Carga * As Cd Zn Cu Cr Pb Ni Hg
Metales
Totales
1
guar
25 3 <0.001 9.18 71.43 206.61 107.05 61.59 28.93 0.33 485.12
2 50 3 <0.001 4.49 219.36 94.96 <0.06 21.00 10.38 0.09 350.28
3 50 2 1.606 6.18 822.65 242.62 6.68 29.04 32.31 0.32 1,141.38
4 75 1 <0.001 14.56 585.07 199.81 <0.06 46.23 68.41 <0.001 914.08
5
mucílago de
nopal
25 3 <0.001 3.76 491.14 155.39 2.79 20.25 20.26 0.25 693.84
6 50 1 <0.001 13.42 479.74 181.12 <0.06 45.86 59.90 <0.001 780.03
7 50 2 <0.001 4.72 734.96 214.51 6.32 28.39 21.44 0.16 1,010.51
8 75 3 <0.001 4.91 675.79 211.31 6.90 8.79 23.87 0.32 931.89
9
mezquite
25 1 <0.001 15.45 570.48 185.42 <0.06 44.93 89.44 <0.001 905.71
10 25 2 <0.001 3.76 491.14 155.39 2.79 20.25 20.26 0.25 693.84
11 50 3 <0.001 7.07 732.45 217.14 1.56 18.13 24.50 0.18 1,001.03
12 50 3 <0.001 4.10 515.06 179.02 9.08 22.92 20.91 0.48 751.58
13 50 3 <0.001 6.58 640.96 159.94 <0.06 25.47 28.18 0.16 861.29
14 75 1 <0.001 10.06 509.11 179.65 <0.06 32.94 47.13 0.30 779.18
15 75 2 <0.001 4.90 749.92 221.01 1.25 27.67 22.11 0.20 1,027.05
16
FeCl3
25 3 2.276 7.34 671.68 178.67 <0.06 29.48 31.33 0.53 921.30
17 50 3 <0.001 9.93 657.54 197.53 <0.06 38.32 47.40 0.14 950.86
18 75 3 <0.001 7.99 335.27 115.78 <0.06 26.23 56.99 <0.001 542.26
* 1= 725mg DQO/L *2= 1,425 mg DQO/L *3= 1,325 mg DQO/L
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN 58
En este punto es importante retomar el contenido de metales presente en los
biopolímeros (Cuadro 4). Se midió el porcentaje de metal que aportan los biopolímeros en los
lodos generados en promedio según experimentos del Cuadro 11. Para el Cu, la goma guar le
aporta aproximadamente 1.4%, mezquite 6.1% y el mucílago 19.5%. Para Ni, guar aporta 13.1% y
mezquite 11.2%. Para Zn, guar aporta 6.3%, mezquite 7.4% y mucílago 26.3%.
Sorprendentemente, del Pb presente en los lodos el 65.4% lo aporta goma guar y 92.6% la
goma mezquite. En los ensayos donde se usó mucílago de nopal se reportó menor cantidad de Pb
que el que contenía éste, pudiera ser porque el nopal no adsorbe este metal bajo estas
condiciones. Miretzky et al. (2008) han demostrado que la máxima capacidad de adsorción de Pb
fue de 0.14 mmol/g a pH 5 y 2.5 g/L de nopal en una suspensión de éstos. A valores de pH más
bajos que en los que se desarrollaron estos experimentos (pH=6.9) en teoría el Pb se une del lado
carboxilo del ácido poligalacturónico del nopal.
Sotero-Santos et al. (2007) reportaron concentraciones más altas de Pb, Ni y Cr (54, 90 y
44 mg/L, respectivamente) en lodos generados en una planta de tratamiento en la que se utiliza
FeCl3. Sin embargo presentan menor concentración de Zn (125 mg/L) que este trabajo.
Se ha demostrado que es casi imposible remover metales pesados de aguas residuales
directamente a causa de floculantes (Fu y Wang, 2011). A pesar de lo anterior, el contenido de
metales presente en los lodos generados del diseño experimental, no sobrepasan los límites que
señala la NOM-004-SEMARNAT-2002.
En la estricta normatividad ambiental actual, los metales pesados son considerados como
contaminantes ambientales prioritarios y son uno de los problemas ambientales más serios. Estos
metales tóxicos deben removerse de las aguas residuales para protección humana y ambiental (Fu
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 59
y Wang, 2011). Pero los metales pesados presentes en los lodos no pueden removerse por
tratamientos comunes como composteo, digestión aerobia o anaerobia (Wang et al., 2005b).
Diversos estudios han probado la efectividad de algunos bioadsorbentes de distintas fuentes:
biomasa no viva como corteza, lignina, camarones o conchas de cangrejo; de biomasa algal y
biomasa microbiana como bacteria, hongos y levaduras (Fu y Wang, 2011).
Se han caracterizado algunos bioadsorbentes como nuevas fuentes a bajo costo y de
rápida adsorción. Desafortunadamente, las investigaciones están en la fase teórica y experimental
(Fu y Wang, 2011).
6.3.3 Análisis estadístico . Agua Residual Municipal
En el Cuadro 12 se enlistan los coeficientes generados por el análisis estadístico ANOVA y
de regresión. Para las variables evaluadas en el agua tratada (pH final, % remoción de salinidad,
DQO, turbiedad) y en el lodo generado (volumen, peso, densidad, DQO y metales como As, Cd, Cr,
Pb, Zn, Ni y metales totales que es la suma de los metales evaluados en el Cuadro 11).
En el caso del pH final, el grado de correlación entre los factores dosis, tipo y carga es
positiva y baja (R= 0.489), con un R2 de 0.239 lo que indica que solo el 23.9% del resultado en el pH
final está explicado por los tres factores del diseño. Los valores más altos de los coeficientes beta
indican –en valor absoluto- el que mayor peso o influencia tiene sobre la variable dependiente. La
carga orgánica inicial afecta más el valor del pH final, seguido por el tipo de biopolímero y al final
la dosis de éste (Guarín, 2002).
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 60
Otros casos similares al pH final con coeficientes de correlación (R) positiva y muy baja lo
que indica que los tres parámetros evaluados no afectan el resultado son: remoción de salinidad,
DQO del lodo, As, Cr, Zn y metales totales (Cuadro 12).
La remoción de DQO en el agua tratada presenta un coeficiente de correlación (R=0.754)
indicando que hay correlación positiva pero regular entre los parámetros. El 56.8% de la remoción
de DQO es explicado por los parámetros tipo, dosis y carga (R2=568), por lo que los tres
parámetros afectan la remoción de DQO. Siendo la carga orgánica el que más afecta, seguido de
dosis y al final el tipo de biopolímero empleado (Cuadro 12).
La turbiedad, con una correlación positiva regular (R= 0.793) y con el 62.8% del resultado
explicado por los parámetros tipo, dosis y carga (R2= 0.628), mostró que los 3 le afectan. En este
caso el que más afecta es la carga orgánica, seguido de tipo y finalmente la dosis del biopolímero
(Cuadro 12).
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 61
Cuadro 12. Coeficientes generados por el análisis estadístico para resultados del Diseño Experimental del Agua Residual Municipal
R R2 Beta
Tipo de biopolímero
Beta Dosis de
biopolímero
Beta Carga inicial DQO
pH final 0.489 0.239 0.258 0.119 -0.376
SALIN rem (%) 0.415 0.173 0.231 0.146 0.341
DQO rem (%) 0.754 0.568 0.358 -0.37 0.498
TURB rem (%) 0.793 0.628 -0.187 0.004 0.768
VOL. Lodo 0.933 0.87 -0.116 0.078 0.933
PESO Lodo 0.868 0.753 -0.173 0.032 0.852
DENS Lodo 0.779 0.607 0.279 -0.242 -0.722
DQO Lodo 0.476 0.226 -0.223 0.004 0.418
As 0.488 0.23 -0.381 0.049 0.304
Cd 0.88 0.774 -0.117 -0.09 -0.884
Cr 0.538 0.289 -0.39 -0.354 0.24
Pb 0.68 0.463 -0.344 -0.305 -0.558
Zn 0.627 0.393 0.358 0.472 0.303
Ni 0.836 0.698 0.021 -0.126 -0.846
Metales Tot. 0.508 0.258 0.264 0.424 0.19
Algunas características del lodo generado presentan resultados similares. El volumen, peso
y densidad presentan una correlación positiva buena (R= 0.933, 0.868 y 0.779, respectivamente).
Cada uno de éstos se ve afectado por los 3 parámetros evaluados en un 87%, 75% y 60%,
respectivamente. La carga orgánica es la que más les afecta o influye, seguido por el tipo y
finalmente la dosis del biopolímero (Cuadro 12).
El Cd y Ni presentan una correlación positiva buena (R= 0.88 y 0.83, respectivamente), con
un 77.4% y 69% explicado o afectado por los parámetros tipo, dosis y carga. Presentando
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 62
diferencia significativa en donde quien más le influye al Cd es la carga, seguido de tipo y al final la
dosis del biopolímero empleado. Al Ni le influye más la carga orgánica, seguido de la dosis y al final
el tipo de biopolímero (Cuadro 12).
El Pb, con una correlación positiva regular (R= 0.83), tiene el 69% de su resultado explicado
por los parámetros tipo, dosis y carga. El que más le afecta es la carga orgánica, seguido de dosis y
al final el tipo de biopolímero empleado (Cuadro 12).
El análisis de regresión permitió obtener ecuaciones mínimo cuadráticas que mejor
expresan la relación entre una variable dependiente (variables respuesta en agua tratada y lodo
generado) y los parámetros del diseño experimental (tipo y dosis de biopolímero, así como carga
orgánica). De acuerdo a este modelo o ecuación, la variable respuesta se interpreta como una
combinación lineal de un conjunto K de parámetros, cada uno de los cuales va acompañado de un
coeficiente y un componente aleatorio que recoge todo lo que los parámetros no son capaces de
explicar (Cuadro 13).
Así tenemos que para la remoción de DQO, la ecuación o modelo generado es:
Remoción DQO (%) = 32.255 + 3.553 [Tipo] - 0.168 [Dosis] + 0.018 [Carga]
Con esas ecuaciones y dentro de los límites de los parámetros evaluados, se pueden
obtener valores esperados en las variables respuesta como se muestran unos ejemplos en la
Figura 14. Se grafican los valores de remoción de DQO observada vs. remoción de DQO esperada
en el que se estima el coeficiente de determinación (R2) del modelo (según Cuadro 12). Si bien
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 63
este coeficiente es 0.568, podemos observar que los puntos se encuentran alrededor de la línea y
no tan dispersos como podría suponerse.
Torres et al. (2009) obtuvieron este tipo de modelos. Determinaron valores de R2 de
0.8977 para remoción de DQO empleando FeCl3 y un polímero sintético con aguas generadas en el
lavado de suelos contaminados con hidrocarburos. En ese caso, el parámetro que más afectó la
remoción de DQO fue el pH, seguido de la dosis de floculante y al final la dosis de coagulante. En
ese modelo, la mayoría de las remociones están por debajo del 40% y algunos casos superan el 60
hasta 90%.
Cuadro 13. Ecuaciones generadas con el análisis de regresión del Agua Residual Municipal
Ecuación
pH final 7.783 + 0.055 [Tipo] + 0.001 [Dosis] + 0 [Carga]
SALIN rem (%) - 3.077 + 0.770 [Tipo] + 0.022 [Dosis] + 0.004 [Carga]
DQO rem (%) 32.255 + 3.553 [Tipo] - 0.168 [Dosis] + 0.018 [Carga]
TURB rem (%) 55.061 -1.614 [Tipo] + 0.002 [Dosis] + 0.025 [Carga]
VOL. Lodo -1.846 - 0.690 [Tipo] + 0.021 [Dosis] + 0.021 [Carga]
PESO Lodo 0.088 - 0.021 [Tipo] + 0 [Dosis] + 0 [Carga]
DENS Lodo 0.047 - 0.003 [Tipo] + 0 [Dosis] + 2.774E-5 [Carga]
DQO Lodo 7523.414 - 1523.359 [Tipo] + 1.185 [Dosis] + 10.592 [Carga]
As 0.107 - 0.183 [Tipo] + 0.001 [Dosis] + 0.001 [Carga]
Cd 19.679 - 0.550 [Tipo] - 0.019 [Dosis] - 0.015 [Carga]
Cr 57.372 - 12.275 [Tipo] - 0.508 [Dosis] + 0.007 [Carga]
Pb 75.083 - 5.535 [Tipo] - 0.223 [Dosis] - 0.033 [Carga]
Zn -48.510 + 82.998 [Tipo] + 5 [Dosis] + 0.261 [Carga]
Ni 92.365 + 0.548 [Tipo] - 0.147 [Dosis] - 0.08 [Carga]
Metales Tot. 333.315 + 64.455 [Tipo] + 4.712 [Dosis] + 0.172 [Carga]
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN 64
En este trabajo de tesis, si bien el valor de R2 es más bajo y las remociones de DQO son
entre 30 y 60%, se puede asegurar que los biopolímeros tienen el potencial como coagulante-
floculante en el tratamiento de aguas residuales municipales. La coagulación y floculación no es un
método único y no se espera que se remueva toda la carga orgánica (DQO) ya que generalmente
se le da un tratamiento biológico posterior. El empleo de biopolímeros ofrece una alternativa al
uso de productos que se encuentran ampliamente distribuidos en el país lo cual implica menor
costo y diversificar su uso.
Figura 14. Gráficos de valores observados vs. esperados según ecuación para DQO, turbiedad, volumen de lodo y Cadmio
y = 0.5635x + 18.768R² = 0.568
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100
% r
em
oci
ón
DQ
O e
spe
rad
a
% remocion DQO observada
DQO
y = 0.6392x + 24.661R² = 0.6281
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100
% r
em
oci
ón
Tu
rbie
dad
esp
era
da
% remoción Turbiedad observada
Turbiedad
y = 0.8881x + 1.4969R² = 0.8704
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25Vo
lum
en
Lo
do
esp
era
do
(m
L/L)
Volumen Lodo producido observado (mL/L)
Volumen Lodo
y = 0.7544x + 2.1287R² = 0.7742
02468
10121416
0 5 10 15 20Cad
mio
esp
era
do
(m
g/K
g)
Cadmio observado (mg/Kg)
Cd
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 65
6.4 Agua Residual Industrial
6.4.1 Caracterización del Agua Residual Industrial
La caracterización inicial del agua residual industrial cruda proveniente de una industria de
cosméticos se presenta en el Cuadro 14. El radio DBO5/DQO es 0.40, lo que indica el porcentaje de
material que puede ser degradado por microorganismos en 5 días a temperatura ambiente (40%).
El pH inicial del agua industrial es más ácido (5.51). Ésta tiene un color blanco, opaco y
muy oloroso y tiene alto contenido de grasas y aceites (482 mg/L). La DQO es de 16,700 mg/L
(aprox. 14 veces mayor que la del agua municipal 1,141.3 mg/L). Así mismo, la turbiedad del agua
industrial fue de 3,390 UNT (aprox. 6 veces mayor que agua municipal 537 UNT). Las SAAM del
agua industrial 741.7 mg/L (6 veces mayor que la del agua municipal 117.25 mg/L). Los metales
evaluados se presentaron en bajas cantidades excepto Al y Fe con valores un poco mayores (29.3 y
4.2 mg/L, respectivamente).
De acuerdo a Jern (2006) aguas residuales de productos de cuidado personal (incluyendo
producción de shampoo) tienen valores de DQO de 2,000 a 3,000 mg/L, DBO de 500-800 mg/L y de
grasas y aceites de 30-40 mg/L. Para industrias de jabones reportan valores de DQO entre 13,400 y
18,500 mg/L, DBO de 8,200-12,400 y de grasas y aceites entre 4,000-6,300 mg/L.
Las aguas residuales generadas de la industria de los cosméticos se caracterizan por sus
altos niveles de DQO, sólidos suspendidos, grasas y aceites y SAAM. Pero reducir su carga orgánica
por procesos biológicos convencionales no es posible debido a que tienen bajos radios DBO5/DQO,
por ello son tratadas frecuentemente por coagulación y floculación y flotación a presión para
separar el lodo producido lo que implica una reducción importante en el DQO inicial (Bautista, et
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 66
al., 2007). Incluso otros mecanismos se han usado como sorción, biodegradación, volatilización o
foto-oxidación (Carballa et al., 2005).
Cuadro 14. Caracterización inicial del Agua Residual Industrial
Parámetro Unidades A.R. Industrial
pH Unidades 5.51
Conductividad S 1,360
Color Pt Co 27,360
Turbiedad UNT 3,390
DBO5 mg/L 6,749
DQO mg/L 16,700
S.T. mg/L 2,755.5
Dureza (CaCo3) mg/L 65.72
Grasas y Aceites mg/L 482.02
SAAM mg/L 741.7
Al mg/L 29.282
Cr mg/L 0.052
Fe mg/L 4.218
Pb mg/L 0.402
Por eso, uno de los problemas ambientales más controversiales que enfrentan la industria
productora de fragancias es la presión para reducir el uso de químicos orgánicos volátiles (VOC´s).
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 67
El VOC más usado es el alcohol etílico que funciona como solvente. Incluso se ha culpado a esos
compuestos volátiles de contribuir con los elevados niveles de ozono (Kumar, 2005).
6.4.2 Potencial Z del agua residual industrial
El potencial zeta de la muestra de agua residual Industrial a diferentes valores de pH se
muestra en la Figura 15. Los valores de este potencial son negativos ya que la mayor parte de los
coloides de aguas residuales desarrollan una carga primaria negativa (Weeber, 2003).
El potencial Z al pH de la muestra de agua residual industrial (5.51), incluso desde 2 a 10,
se encuentra de la zona en que las partículas coloidales son menos estables (-20 a +20). Un cambio
en el pH mayor a 11 eleva el potencial zeta a una zona de mayor estabilidad en una zona en que
las partículas coloidales son menos estables. Como ya se había mencionado anteriormente, con la
adición de un ácido o base se agregan H+ y OH- a la muestra de agua residual y las partículas
coloidales se ionizan tanto en sus grupos carboxílicos y aminos dándoles una carga neutral
formando un zwitterion. En este punto, la partícula se neutraliza y las fuerzas de repulsión y de
van der Waals disminuyen lo que las hace menos estables (Sincero y Sincero, 2003; Wang et al.,
2005a).
Una ventaja de esta muestra fue que al valor de pH del agua industrial cruda, el potencial Z
se encuentra en la zona de menos estabilidad, por ello se decidió no modificar el pH para los
experimentos de coagulación y floculación. Esto favorece las características del agua tratada, ya
que generalmente después de este método se pasa a un tratamiento biológico en el que se
requiere que esté lo más cercano a la neutralidad.
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 68
Figura 15. Potencial Z del agua residual Industrial a distintos valores de pH
6.4.3 Efecto del pH sobre la sedimentación del agua residual
industrial
El volumen de lodo producido sólo por fuerza gravitacional a diferentes valores de pH sin
la adición de ningún biopolímero o sal inorgánica.se muestra en la Figura 16. A valores de pH 3, 9 y
10 se observó cierta cantidad de lodo pero con pobre sedimentación ya que las partículas
permanecieron suspendidas los 60 minutos. La separación de grasas y aceites de agua se ve
afectada por tres fuerzas, la flotabilidad, arrastre y gravedad. La flotabilidad es proporcional a su
volumen y el arrastre es proporcional al área de una gota de aceite (Rhee et al., 1987).
Al valor del pH del agua cruda (5.51) se produjeron 400mL/L. A pH 7, 300 mL/L y 600mL/L
con un pH más ácido (4). Como se aprecia en la Figura 16, el lodo acumulado sedimenta hasta 50
minutos después de iniciarse el proceso de sedimentación. Esto significa que un incremento en la
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
po
ten
cial
Z
pH
mas estable
mas estable
menos estable
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 69
cantidad de NaOH o H2SO4 se puede promover la sedimentación ya que con el exceso de OH- se
forman precipitados y las partículas coloidales son co-precipitadas (Wang et al., 2005a).
Figura 16. Lodo producido a diferentes valores de pH del
Agua Residual Industrial cruda en mL/L
0
100
200
300
400
500
600
700
40 45 50 55 60
Lod
o p
rod
uci
do
(
mL/
L)
Tiempo (min)
pH 4
pH 5.6 industrial
pH 7
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 70
6.5 Coagulación y floculación Agua Residual Industrial
6.5.1 Efecto de diferentes dosis
Pruebas preliminares
Los resultados de las pruebas de jarras preliminares con mezquite a 100 mg/L y algarrobo
a diferentes dosis de 150 a 1000 mg/L se muestran en el cuadro 15. El pH bajó casi en una unidad,
algarrobo fue el único que removió 5.7% de la conductividad. El mezquite tuvo un máximo de
remoción de turbiedad del 17%. Se observó más del 46% de remoción de DQO. El lodo producido
alcanzó hasta 26 mL/L con algarrobo a 1000 mg/L produjo 50 mL/L. En estas pruebas, se comprobó
de nuevo que las remociones de DQO y turbiedad disminuyen de acuerdo a lo señalado por Wang
et al. (2005a) en donde la zona 3 indica que hay exceso de concentración del coagulante que
puede dar lugar a revocación de carga y re-estabilizar las partículas coloidales.
El cuadro 16 expone los resultados de pruebas de jarras con todos los biopolímeros y FeCl3
a 500 mg/L. El pH también bajó un poco (de 4.51 a 4.83) considerando que el pH del agua
industrial cruda es 5.51. La conductividad la removió hasta en 1.5% el algarrobo. La remoción más
alta de turbiedad la logró guar con 16% y algarrobo 11%. Mucílago removió hasta 35% de DQO y
algarrobo 46%. El lodo producido por algarrobo fue de 26 mL/L y FeCl3 de 25 mL/L.
Estas pruebas preliminares con agua residual industrial permitieron establecer que
Mezquite no fuera utilizado ya que se tenía poca goma de la semilla para utilizarse a dosis mayores
a 150 mg/L. También se determinaron los rangos y parámetros del diseño experimental. Del
mismo modo se tomó la decisión de realizar las pruebas al pH del agua cruda (5.51).
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 71
Cuadro 15. Resultados experimentales preliminares Agua Residual Industrial. Mezquite y Algarrobo
Biopolímero
dosis
(mg/L) pH
Remoción
conductividad
(%)
Remoción
turbiedad
(%)
Remoción DQO
(%)
Lodo
(mL/L)
Mezquite 100 4.86 0 17.11 51.16 15
Algarrobo 150 4.83 0 9.9 54.57 11
Algarrobo 200 4.8 4.6 11.71 59.12 15
Algarrobo 500 4.83 1.5 11.71 46.61 26
Algarrobo 1000 4.82 5.7 9 46.61 50
Cuadro 16. Resultados experimentales preliminares Agua Residual Industrial. A dosis de 500 mg/L biopolímeros y sal inorgánica.
500mg/L pH
Remoción
conductividad
(%)
Remoción
turbiedad
(%)
Remoción DQO
(%)
Lodo
(mL/L)
Algarrobo 4.83 1.5 11.71 46.61 26
Guar 4.73 0 16.21 23.87 15
Mezquite 4.76 0 0 17.05 6
Mucílago de nopal 4.69 0 0 35.24 4
FeCl3 4.51 0 0 40.93 25
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 72
6.5.2 Diseño experimental 3k
a) Resultados en el agua tratada
En el diseño experimental del agua residual industrial se emplearon tres biopolímeros;
goma guar, algarrobo y mucílago de nopal y FeCl3 como comparación. Tres dosis 150, 300 y 500
mg/L con tres cargas orgánicas del agua residual desde 6,000 a 13,300 mg DQO/L. En el Cuadro 17
se presentan los resultados de pH final, remoción de salinidad, turbiedad y DQO del agua tratada
bajo estas condiciones.
El pH inicial del agua residual industrial fue de 5.51. Después de los tratamientos, el pH
final con las galactomananas (gomas de guar y algarrobo) osciló entre 6.03 y 7.09. Con el mucílago
varió de 5.82 a 6.86. Con el FeCl3 de 5.54 a 6.87. Para todos los casos, el valor del pH se
incrementó ligeramente (Cuadro 17).
Los biopolímeros incrementaron el pH, lo cual es deseable ya que la coagulación y
floculación es un paso anterior a un tratamiento biológico en aguas industriales (Sonune y Ghate,
2004; Wang et al., 2005a).
La remoción de salinidad (medida como conductividad) que no es una característica del
proceso de coagulación y floculación, en algunos casos se removió sales disueltas por fenómeno
de arrastre o co-precipitación. De las galactomananas, la goma guar removió el 20% de la salinidad
(Experimento 4 a 500 mg/L). La goma de algarrobo removió 12 y 15%, en las experimento 6 y 8 a
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN 73
300 y 500 mg/L, respectivamente. El mucílago no removió salinidad. El FeCl3 sólo removió 4.86 y
7.64 % (Cuadro 17).
Respecto a remoción de turbiedad (Cuadro 17) el 67.8% fue removido por goma guar
(experimento 3) y algarrobo (experimento 7) ambas a 300 mg/L. El mucílago removió 49.5%
(experimento 10) a 150 mg/L. El FeCl3 removió de 29.5 a 70.4%, a 150 y 500 mg/L,
respectivamente. Torres et al. (2009) han estudiado el tratamiento de aguas generadas en el
lavado de suelos con hidrocarburos y obtuvieron remoción de turbiedad de hasta el 99.6% con
4,000 mg/L de FeCl3 y 1 mg/L de polímero sintético a un valor de pH de 5 del agua. En este trabajo
de tesis se obtuvieron remociones de turbiedad más bajas, sin embargo no se modificó el pH del
agua residual (fue con un valor superior a 6), con dosis mucho más bajas (máximo 500 mg/L) y
usando un solo producto como coagulante floculante.
A simple vista y con la caracterización del agua residual industrial se corrobora que tiene
alto contenido de grasas y aceites (Cuadro 14). La remoción de grasas y aceites por parte de las
galactomananas fue de 69.5% para goma guar a 500 mg/L (Experimento 4), y para algarrobo 61 y
60% a 150 y 500 mg/L (Experimentos 5 y 8, respectivamente). Por su parte, el mucílago de nopal
removió entre 75.9 y 63% (Experimentos 14 y 15) a 500 mg/L en ambas. El FeCl3 obtuvo 87% de
remoción a 500 mg/L y 89% a 300 mg/L. Estos resultados no son despreciables si consideramos
que la coagulación y floculación por sí sola, no remueve grasas y aceites por las características de
éstas.
Se ha reportado que las grasas y aceites son uno de los contaminantes más complicados
de remover. Debido a que las grasas y aceites flotan en la superficie, uno de los métodos más
empleados para eliminarlas es por medio de coagulación y floculación y un sistema DAF (Dissolved
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN 74
Air Flotation) el cual inyecta burbujas de aire al medio. De este modo, los coagulantes sirven para
disminuir la tensión interfacial entre la fase dispersa del aceite y el agua residual. Así mismo, se
incrementa la tensión interfacial entre la burbuja de aire y la fase aceitosa (Rhee et al., 1987). A
pesar de que en este trabajo no se empleó DAF, si se pudo observar remoción de grasas y aceites
por sedimentación
Los resultados de remoción de DQO para la goma guar fueron 30.2 y 22.5% a 500 y 300
mg/L (Experimentos 4 y 3, respectivamente). Algarrobo alcanzó 33.7% y 25.02% (Experimentos 8 y
7) a 500 y 300 mg/L, respectivamente. El mucílago removió el 38.6 y 32.52% a 500 mg/L
(Experimentos 14 y 15, respectivamente). Por su parte, el FeCl3 removió 15.6% con 300 mg/L y
47.7% a 500 mg/L (Cuadro 17).
Si consideramos que Aboulhassan et al. (2006a) reportaron remociones del 91% de DQO y
99% de color usando FeCl3 mas un polímero sintético en el tratamiento de agua residual de una
industria textil, nos damos cuenta que los biopolímeros por sí solos alcanzan cerca de la mitad de
esa remoción. Además de que se ha sugerido que el uso de coagulantes naturales como goma
algarrobo, alginato o goma guar pueden obtener convenientes remociones de DQO y sólidos
terminando el proceso de coagulación y floculación y con un valor de pH más adecuado que con
sales inorgánicas y polímeros sintéticos (Torres et al., 2009).
Recordando que los experimentos se corrieron con tres cargas orgánicas de DQO del agua
residual (6,000, 10,200 y 13,300 mgDQO/L), las remociones de DQO pueden parecer similares. Si
calculamos los mg de DQO removidos tenemos que la goma guar removió 3,000 mg DQO, lo que
equivale al 22.5% (Experimento 3). Cuando algarrobo removió el 33% corresponde a remover
3,466 mg DQO o el 25.02% removió 3,333 mg DQO (Experimentos 8 y 7, respectivamente). El
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN 75
mucílago removió 4,333 mg DQO lo que equivale a remover el 32.5% y 3,166 mg DQO al 23.76%
(Experimentos 15 y 10, respectivamente). Cuando el FeCl3 removió el 47.7%, equivale a 4,900 mg
DQO y el 15.6% a 1,600 mg DQO (Experimentos 18 y 17, respectivamente) (Cuadro 17).
Si comparamos estos datos con los obtenidos en agua residual municipal, podemos notar
que se obtuvieron remociones de DQO superiores al 50% empleándose la dosis más baja (25
mg/L). En cambio, agua residual industrial se observaron remociones menores al 34% para
biopolímeros con dosis de 500 y 300 mg/L. El FeCl3 produjo remoción superior al 47% pero con la
dosis más alta (500 mg/L).
Analizando los resultados de DQO desde una nueva perspectiva dividiendo el total de mg
de DQO removido entre la dosis de polímero o sal, se observa que la goma guar remueve 10 mg
DQO por cada mg de biopolímero (300 mg/L, experimento 3). Guar tuvo una eficiencia de 11.11
mg DQO/mg biopolímero (300 mg/L, experimento 7). Mucílago con 21.11 mg DQO/ mg
biopolímero (150 mg/L, experimento 10) y FeCl3 9.8 mg DQO/ mg sal (500 mg/L, experimento 18)
(Cuadro 17).
Torres et al. (1997) reportaron valores de eficiencia de 6.76 mg DQO/ mg biopolímero para
goma guar y 2.8 mg DQO/ mg biopolímero para algarrobo con agua residual de industria
farmacéutica.
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN 76
Cuadro 17. Resultados del Diseño Experimental en el Agua Residual Industrial tratada
SALINIDAD TURBIEDAD GRASAS Y
ACEITES DQO
no.
experimento
tipo
biopolímero
dosis
(mg(L) carga * pH final Remoción (%) Remoción (%)
Remoción
(%)
Remoción
(%)
mg
removidos
mg removidos/
mg polímero
(mg/mg)
1
Guar
150 2 7.04 9.72 11.48 18.05 9.10 933.33 6.22
2 300 2 6.98 8.68 50.82 32.58 5.85 600.00 2.00
3 300 3 7.01 5.90 67.83 56.64 22.51 3,000.00 10.00
4 500 1 6.65 20.14 25.86 69.50 30.21 1,800.03 3.60
5
Algarrobo
150 2 7.08 5.90 8.20 61.00 9.10 933.30 6.22
6 300 1 7.3 12.85 10.34 34.23 19.02 1,133.33 3.78
7 300 3 7.09 4.51 67.83 3.11 25.02 3,333.40 11.11
8 500 2 6.03 15.63 11.48 60.00 33.79 3,466.73 6.93
9
Mucílago de
nopal
150 1 6.86 0.00 27.59 40.00 0.00 0.00 0.00
10 150 3 6.68 0.00 49.57 52.29 23.76 3,166.70 21.11
11 300 2 6.32 0.00 0.00 54.78 0.00 0 0.00
12 300 2 6.32 0.00 16.39 54.78 0.00 0 0.00
13 300 2 6.33 0.00 0.00 54.78 26.97 2,759.6 9.22
14 500 1 6.12 0.00 18.97 75.94 38.60 2,300.00 4.60
15 500 3 5.82 0.00 40.87 63.07 32.52 4,333.40 8.67
16
FeCl3
150 2 6.87 5.21 29.51 76.00 0.00 0.00 0.00
17 300 2 6.14 7.64 60.66 89.00 15.60 1,600.00 5.33
18 500 2 5.54 4.86 70.49 87.00 47.76 4,900.00 9.80
* 1= 6,000 mg DQO/L *2= 10,200 mg DQO/L *3= 13,300 mg DQO/L
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN 77
Si contrastamos estos resultados con los obtenidos en agua residual municipal,
observamos valores de eficiencia superiores a 28 mg DQO removido por mg de biopolímero con la
dosis más baja empleada en el diseño experimental de 25 mg/L. FeCl3 superó 37 mg DQO/mg
biopolímero, también con la dosis más baja. De nuevo, para agua industrial los mejores
rendimientos fueron con la dosis media de 300 mg/L con las galactomananas, la dosis más baja
para mucílago (150 mg/L) y la dosis más alta para FeCl3 con 500 mg/L.
A pesar de esas diferencias, estos resultados se deben tomar en cuenta si se quiere
sustituir el uso de sales de Fe o Al más polímero sintético, ya que por una parte son productos
naturales, de menor costo y ofrecen una alternativa más a la economía local.
b) Resultados del diseño experimental en el lodo generado de agua residual industrial
Las características del lodo generado de los experimentos del diseño experimental en agua
residual industrial se presentan en el Cuadro 18. El volumen del lodo producido aumenta de
acuerdo a la carga orgánica del agua residual. Para carga baja se produjo entre 50 y 150 mL/L, para
carga mediana de 275 a 425 mL/L y para carga alta de 400 a 500 mL/L.
Con el peso del lodo producido, este varía de 0.553 a 0.778 g/L para carga orgánica baja,
1.33 a 2.293 g/L para carga mediana y para carga alta de 1.848 a 2.392 g/L (Cuadro 18).
Respecto a la densidad del lodo, para carga orgánica baja obtuvo entre 0.003 a 0.01 g/L,
para carga mediana 0.004 a 0.007 g/L y para alta 0.004 a 0.005 g/L (Cuadro 18). Es decir, la
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN 78
densidad del lodo es muy similar, independientemente del tipo, dosis y carga orgánica del agua
residual inicial.
Como ya se mencionó, la cantidad de agua en lodos generados es más del 60 al 90% de
éstos (Vigueros et al.,2000; Oropeza, 2006).
Es importante señalar que se intentó determinar el radio DBO5/DQO de los lodos
generados del agua residual industrial. Sin embargo debido a su alto contenido de grasas y aceites
no se pudo solubilizar en agua la muestra. Ya que el lodo generado se secó para después hacer
determinación de DBO5, DQO y contenido de metales.
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN 79
Cuadro 18. Resultados de los lodos del Diseño Experimental Agua Residual Industrial
LODO
no.
experimento
tipo
biopolímero
dosis
(mg(L) carga *
volumen
(mL/L) peso (g/L)
densidad
(g/L)
1
Guar
150 2 275 2.127 0.007734
2 300 2 325 2.069 0.006366
3 300 3 400 2.293 0.005732
4 500 1 50 0.778 0.01556
5
Algarrobo
150 2 275 2.117 0.007698
6 300 1 100 0.915 0.00915
7 300 3 425 2.124 0.004997
8 500 2 350 1.783 0.005094
9
Mucílago de
nopal
150 1 0 0.924 N/D
10 150 3 450 2.392 0.005315
11 300 2 350 1.434 0.004097
12 300 2 400 1.928 0.00482
13 300 2 0 1.33 N/D
14 500 1 150 0.553 0.003686
15 500 3 500 1.848 0.003696
16
FeCl3
150 2 350 2.03 0.0058
17 300 2 400 2.253 0.005632
18 500 2 425 2.112 0.004969
* 1= 6,000 mg DQO/L *2= 10,200 mg DQO/L *3= 13,300 mg DQO/L
El contenido total de los metales analizados en los lodos presenta una amplia variación en
su concentración (Cuadro 19). En este caso de lodos generados del tratamiento de agua residual
de una industria de cosméticos, los lodos contienen altas cantidades de Al y Na y contenido
mediano de Ca, K, Mg, Fe y Zn. Concentraciones relativamente bajas de Cu, Pb y Cd; y muy escasa
cantidad de Cr, As y Hg.
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN 80
Sotero-Santos et al. (2007) reportaron mucho mayor concentración de Al (162,165 mg/L)
en lodos generados al usar FeCl3 como coagulante comparado cuando se usó FeCl3 a la dosis más
alta (Experimento 18). De igual forma, ellos presentaron concentraciones de Cr, Ni, Pb y Zn
mayores a las reportadas en este trabajo.
En cambio, el resto de los metales analizados si presentan diferencias significativas. Wang
et al. (2005b) reportan una variación similar en la concentración de metales en lodos. Ellos
determinaron concentraciones más altas de Ni, Cr, Zn y Cu. En cambio, las concentraciones de Pb y
Cd de este trabajo de tesis fueron mayores a las determinadas en el trabajo referido.
Cuando se considera el contenido de metales presente en los biopolímeros (Cuadro 4). Se
midió el porcentaje de metal que aportan los biopolímeros en los lodos generados en promedio
según experimentos del Cuadro 19. Para el Cu, la goma algarrobo le aporta aproximadamente
7.36%, guar 7.3% y el mucílago 49.8%. Para Ni, algarrobo aporta 29.19% y guar el 29.04%. Para Zn,
algarrobo aporta 0.55%, guar 6.29% y mucílago 35.8%.
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN 81
Cuadro 19. Resultados de metales en los lodos del Diseño Experimental Agua Residual Industrial
Metales (mg/Kg)
no.
experimento
tipo
biopol.
dosis
(mg(L)
carga
*
As Cd Cr Ca Cu Mg K Na
cruda 0.00 15.52 6.34 2,506.12 29.27 400.09 1,276.39 10,673.10
1
Guar
150 2 1.30 7.41 7.97 2,339.41 40.61 338.16 1,703.18 15,788.70
2 300 2 1.77 5.55 8.49 2,369.14 36.49 327.43 1,481.73 15,045.30
3 300 3 2.63 5.89 7.27 2,396.26 25.28 306.47 1,656.56 15,686.80
4 500 1 3.26 8.65 8.83 4,407.14 46.10 1,605.62 2,156.04 16,865.60
5
Algarrobo
150 2 1.64 6.19 6.78 2,203.80 30.69 283.18 1,278.13 12,068.60
6 300 1 2.54 11.50 9.14 4,842.41 88.33 1,376.67 1,866.06 13,862.50
7 300 3 1.75 6.63 7.14 2,362.26 28.52 316.80 1,240.90 11,315.10
8 500 2 1.87 7.04 5.53 2,032.15 26.79 230.32 1,025.94 8,916.00
9
Muilago
de nopal
150 1 2.79 13.28 8.76 4,129.87 114.10 1,444.99 3,766.82 15,130.80
10 150 3 1.96 13.41 7.71 3,577.83 62.70 957.63 4,504.65 18,334.30
11 300 2 0.00 13.69 8.17 3,666.44 51.43 1,059.17 6,254.00 21,158.60
12 300 2 0.00 13.78 5.20 3,378.88 38.09 889.70 4,840.17 8,078.00
13 300 2 0.00 8.24 9.41 3,426.16 29.02 799.26 6,728.04 13,455.10
14 500 1 0.00 14.88 10.18 5,404.99 188.11 2,244.07 13,220.26 15,762.10
15 500 3 0.00 15.45 10.44 5,624.68 38.32 2,257.36 18,787.96 23,059.10
16
FeCl3
150 2 0.00 8.89 5.34 1,768.25 23.03 207.24 993.42 9,714.90
17 300 2 0.00 8.63 6.66 1,896.56 27.59 247.67 1,194.00 11,419.50
18 500 2 0.00 9.08 7.36 1,763.52 28.74 266.06 974.29 9,525.10
* 1= 6,000 mg DQO/L *2= 10,200 mg DQO/L *3= 13,300 mg DQO/L
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN 82
Cuadro 19…Continuación: Resultados de metales en los lodos del Diseño Experimental Agua Residual Industrial
Metales (mg/Kg)
no.
experimento
tipo
biopol.
dosis
(mg(L)
carga
*
Zn Fe Ni Al Pb Hg Metales
Totales
cruda 411.74 1,050.48 28.70 27,629.52 64.09 0.00 44,091.34
1
Guar
150 2 466.44 1,094.84 20.93 29,568.96 31.23 0.21 51,409.35
2 300 2 468.22 1,067.15 11.97 29,844.54 29.43 0.19 50,697.39
3 300 3 442.08 1,108.28 10.82 27,780.59 30.11 0.19 49,459.21
4 500 1 349.79 1,238.98 19.74 24,700.46 41.02 0.25 51,451.48
5
Algarrobo
150 2 496.51 1,129.05 10.88 29,694.78 31.36 0.20 47,241.81
6 300 1 432.79 1,325.01 25.16 27,617.38 52.82 0.33 51,512.64
7 300 3 456.81 1,163.66 14.36 28,868.03 35.14 0.19 45,817.30
8 500 2 450.65 1,001.47 11.52 29,255.09 34.69 0.13 42,999.19
9
Mucílago
de nopal
150 1 483.87 1,421.89 22.92 29,331.18 60.32 0.20 55,931.79
10 150 3 457.45 1,078.35 22.82 28,843.63 61.29 0.22 57,923.94
11 300 2 456.78 1,185.16 22.39 28,043.25 60.65 0.00 61,979.72
12 300 2 410.07 872.11 24.59 29,272.55 61.04 0.00 47,884.18
13 300 2 410.44 1,150.92 19.23 29,426.65 35.75 0.00 55,498.22
14 500 1 509.43 1,052.31 29.86 25,917.04 59.66 0.57 64,413.46
15 500 3 334.00 1,044.04 28.86 21,390.28 70.19 0.00 72,660.68
16
FeCl3
150 2 427.06 3,181.00 16.55 30,089.65 39.52 0.00 46,474.85
17 300 2 427.55 7,257.22 16.24 29,390.25 38.94 0.00 51,930.81
18 500 2 462.83 18,269.94 22.23 28,728.01 41.50 0.00 60,098.65
* 1= 6,000 mg DQO/L *2= 10,200 mg DQO/L *3= 13,300 mg DQO/L
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN 83
De nuevo, del Pb presente en los lodos 77.4% lo aporta goma algarrobo, 78.35% guar y
66.7% el mucílago. En general, el contenido de metales en los lodos generados es mayor que el
contenido presente en el agua industrial cruda, lo cual sugiere que los biopolímeros están
adsorbiendo esos metales en los lodos generados. Aún cuando Miretzky et al. (2008) han
demostrado que la máxima capacidad de adsorción de Pb (0.14 mmol/g a pH 5 y 2.5 g/L de nopal)
a valores de pH más bajos que en los que se desarrollaron estos experimentos (pH=6.9) en teoría
el Pb se une del lado carboxilo del ácido poligalacturónico del nopal.
Se ha demostrado que es casi imposible remover metales pesados de aguas residuales
directamente a causa de floculantes (Fu y Wang, 2011). Aún así, el contenido de metales presente
en los lodos generados del diseño experimental, no sobrepasan los límites que señala la NOM-004-
SEMARNAT-2002.
En el mundo las industrias altamente generadoras de residuos metálicos son la de
blindaje, pinturas, accesorios y partes automotrices, fábricas de metal, producción de armamento,
servicios eléctricos, plásticos, componentes eléctricos, entre otras. En el caso de los lodos
generados al tratar aguas residuales con alto contenido de metales, la concentración de éstos
varía según el proceso que se use. Normalmente los elementos metálicos están como OH- en los
lodos y por ejemplo, el Cr se encuentra en su forma trivalente (Krishnan et al., 1993).
La coagulación co-precipitación es una técnica preferentemente recomendada para
recuperar As y Cd. La mayoría de los metales se recuperan mejor por precipitación con hidróxidos,
con recuperación electrolítica o separación por membrana, pero éstos a costos más altos
(Krishnan et al., 1993; Wang et al., 2005b).
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 84
Con los experimentos de coagulación y floculación que en este trabajo de tesis se
reportan, se ha podido demostrar que los biopolímeros pueden tener capacidad de adsorción de
metales como Cu, Ni, Zn y Pb (este último, excepto para mucílago). Si bien la coagulación y
floculación no se propone como único método para separar metales en el tratamiento de aguas
residuales, sí es una alternativa cuando las concentraciones de metales no son tan altas como en
las industrias generadoras de residuos metálicos.
Como ya se había mencionado, los metales pesados son considerados como
contaminantes ambientales prioritarios y son uno de los problemas ambientales más serios.
Aunque se han caracterizado algunos bioadsorbentes como nuevas fuentes a bajo costo y de
rápida adsorción, las investigaciones están en la fase teórica y experimental (Fu y Wang, 2011).
6.5.3 Análisis estadístico. Agua Residual Industrial
En el Cuadro 20 se muestran los coeficientes generados por el análisis estadístico ANOVA y
de regresión. Para las variables evaluadas en el agua tratada (pH final, % remoción de salinidad,
DQO, turbiedad) y en el lodo generado (volumen, peso, densidad y metales como As, Cd, Cr, Pb,
Zn, Ni y metales totales que es la suma de los metales evaluados en el Cuadro 19).
En el caso del pH final, el grado de correlación entre los factores dosis, tipo y carga es
positiva y buena (R= 0.887), con un R2 de 0.79 lo que indica que solo el 79% del resultado en el pH
final está explicado por los tres factores del diseño. Esto sugiere que los factores tipo, dosis y carga
afectan el resultado final del pH como lo indicaba el valor de R2. Los valores más altos de los
coeficientes beta indican –en valor absoluto- el que mayor peso o influencia tiene sobre la variable
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 85
dependiente. La dosis del biopolímero afecta más el valor del pH final, seguido por el tipo de
biopolímero y al final la carga orgánica inicial del agua residual industrial.
En algunos casos como con coeficientes de correlación (R) positiva y muy baja que señalan
que los tres parámetros evaluados no afectan su resultado son: remoción de turbiedad y de grasas
y aceites, así como Cr, Zn y metales totales (Cuadro 20).
La remoción de DQO en el agua tratada presenta un coeficiente de correlación (R=0.709)
indicando que hay correlación positiva pero regular entre los parámetros. El 50% de la remoción
de DQO es explicado por los parámetros tipo, dosis y carga (R2=0.5). También se demuestra que
que los tres parámetros afectan la remoción de DQO. Siendo el tipo de biopolímero el que más
afecta, seguido de dosis y al final la carga orgánica inicial del agua residual (Cuadro 20).
La salinidad, con una correlación positiva buena (R= 0.87) y con el 76% del resultado
explicado por los parámetros tipo, dosis y carga (R2= 0.76), mostró que los 3 le afectan. En este
caso el que más afecta es el tipo de biopolímero, seguido de carga orgánica y finalmente la dosis
del biopolímero (Cuadro 20).
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 86
Cuadro 20. Coeficientes generados por análisis estadístico para resultados del Diseño Experimental de Agua Residual Industrial
R R2
Beta Tipo de
Biopolímero
Beta Dosis de
biopolímero
Beta Carga inicial DQO
pH final 0.887 0.787 -0.571 -0.68 -194
SALIN rem (%) 0.87 0.757 -0.769 0.26 -0.282
DQO rem (%) 0.709 0.503 -0.157 0.072 0.001
TURB rem (%) 0.615 0.378 -0.187 0.004 0.768
GyA rem (%) 0.6 0.36 0.303 0.475 -0.138
VOL. Lodo 0.845 0.715 0 0.158 0.857
PESO Lodo 0.956 0.913 -0.237 -0.28 0.836
DENS Lodo 0.613 0.376 -0.681 0.169 -0.208
As 0.688 0.474 -0.608 -0.231 -0.266
Cd 0.825 0.68 0.786 0.132 -0.185
Cr 0.408 0.167 0.167 0.201 -0.282
Pb 0.801 0.642 0.777 0.13 -0.122
Al 0.697 0.485 -0.123 -0.694 -0.084
Zn 0.546 0.299 0.019 -0.534 -0.231
Ni 0.718 0.515 0.614 0.147 -0.312
Metales Tot. 0.603 0.363 0.546 0.255 0.041
Algunas características del lodo generado presentan resultados similares. El volumen y
peso presentan una correlación positiva excelente (R= 0.845 y 0.956, respectivamente). Cada uno
de éstos se ve afectado por los 3 parámetros evaluados en un 72% y 91%, respectivamente. La
carga orgánica es la que más les afecta o influye, seguido por la dosis y finalmente el tipo del
biopolímero (Cuadro 20).
El Cd y Pb presentan una correlación positiva buena (R= 0.825 y 0.801, respectivamente),
con un 68% y 64% explicado o afectado por los parámetros tipo, dosis y carga. El factor que más
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 87
les influye es el tipo de biopolímero, seguido de carga orgánica y al final la dosis del biopolímero
empleado. Al Ni le influye más el tipo de biopolímero, seguido de la carga orgánica y al final la
dosis de biopolímero y presenta correlación positiva regular (R= 0.718) y el 50% de su resultado
está influenciado por los 3 parámetros evaluados (Cuadro 20).
Como se había mencionado antes, el análisis de regresión permitió obtener ecuaciones
mínimo cuadráticas que mejor expresan la relación entre una variable dependiente (variables
respuesta en agua tratada y lodo generado) y los parámetros del diseño experimental (tipo y dosis
de biopolímero, así como carga orgánica). De acuerdo a este modelo o ecuación, la variable
respuesta se interpreta como una combinación lineal de un conjunto K de parámetros, cada uno
de los cuales va acompañado de un coeficiente y un componente aleatorio que recoge todo lo que
los parámetros no son capaces de explicar (Cuadro 21).
Así tenemos que para la remoción de DQO, la ecuación o modelo generado es:
Remoción DQO (%) = -12.398 -0.157 [Tipo] +0.072 [Dosis] +0.001 [Carga]
En la Figura 17 se grafican los valores observados vs. valores esperados de remoción de
DQO, remoción de turbiedad, volumen de lodo producido y concentración de Cd. Con estos
modelos, se estima el coeficiente de determinación (R2) del modelo (según Cuadro 20).
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 88
Cuadro 21. Ecuaciones generadas con análisis de regresión en Agua Residual Industrial.
Ecuación
pH final 8.354 -0.302 [Tipo] -0-002 [Dosis] -0.0000319 [Carga]
SALIN rem (%) 21.142 -5.902 [Tipo] +0.013 [Dosis] +0.000 [Carga]
DQO rem (%) -12.398 -0.157 [Tipo] +0.072 [Dosis] +0.001 [Carga]
TURB rem (%) -3.788 -7.999 [Tipo] + 0.013 [Dosis] + 0.004 [Carga]
GyA rem (%) 21.192+ 6.904 [Tipo] +0.070 [Dosis] +0 [Carga]
VOL. Lodo -307.404 - 0.054 [Tipo] + 0.2 [Dosis] +0.052 [Carga]
PESO Lodo 0.600 - 0.166 [Tipo] - 0.001 [Dosis] +0 [Carga]
DENS Lodo 0.013 - 0.003 [Tipo] + 4.736E-6 [Dosis] -2.798E-7 [Carga]
As 4.970 - 0.819 [Tipo] - 0.002 [Dosis] + 0 [Carga]
Cd 4.024 + 3.348 [Tipo] + 0.004 [Dosis] + 0 [Carga]
Cr 8.231 + 0.293 [Tipo] + 0.002 [Dosis] + 0 [Carga]
Pb 19.043 + 13.258 [Tipo] + 0.014 [Dosis] + 0 [Carga]
Al 33224.787 - 334.098 [Tipo] - 12.183 [Dosis] - 0.071 [Carga]
Zn 541.270 + 1.107 [Tipo] - 0.197 [Dosis] - 0.004 [Carga]
Ni 14.588 + 4.593 [Tipo] + 0.007 [Dosis] + 0 [Carga]
Metales Tot.. 36967.549 + 4978.262 [Tipo] + 15.035 [Dosis] + 0.117 [Carga]
Comparando con el trabajo de Torres et al. (2009) donde obtuvieron este tipo de modelos.
Determinaron valores de R2 de 0.8977 para remoción de DQO empleando FeCl3 y un polímero
sintético con aguas generadas en el lavado de suelos contaminados con hidrocarburos. En ese
caso, el parámetro que más afectó la remoción de DQO fue el pH, seguido de la dosis de floculante
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 89
y al final la dosis de coagulante. En ese modelo, la mayoría de las remociones están por debajo del
40% y algunos casos superan el 60 hasta 90%.
En este trabajo, si bien el valor de R2 es más bajo y las remociones de DQO son menores al
40%, se sugiere que los biopolímeros tienen el potencial como coagulante-floculante en el
tratamiento de aguas residuales industriales.
Figura 17. Gráficas de valores observados vs. Esperados en Agua Residual Industrial según ecuación para DQO, turbiedad, volumen de lodo y cadmio.
El crecimiento demográfico genera diversas presiones al ambiente y a su vez requiere de
beneficios que éste ofrezca a las personas. Actualmente es poco probable que 1.1 billón de
personas tengan acceso a aplicar métodos para tratar aguas residuales en sus comunidades.
y = 0.5059x + 10.4R² = 0.5027
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100
% r
em
oci
ón
DQ
O e
spe
rad
o
% remocion DQO observada
remoción DQO
y = 0.3477x + 12.874R² = 0.3774
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100% r
em
oci
ón
Tu
rbie
dad
esp
era
do
% remoción Turbiedad observada
Turbiedad
y = 0.7152x + 77.18R² = 0.7148
0
100
200
300
400
500
600
0 200 400 600
Vo
lum
en
Lo
do
esp
era
do
Volumen Lodo producido observado
Volumen lodo
y = 0.643x + 6.1452R² = 0.6461
0.00E+00
4.00E+00
8.00E+00
1.20E+01
1.60E+01
2.00E+01
0 5 10 15 20
Cd
(m
g/K
g )
esp
era
do
Cd (mg/Kg ) observado
Cd
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 90
Principalmente por los altos costos, dificultad en la operación y sistemas de mantenimiento. Hay
ciertas investigaciones enfocadas en el uso de tecnologías en la que se puedan aplicar por
ejemplo, coagulantes alternos a menor costo y disponibles en la localidad de que se trate (Miller et
al., 2008). Por una parte, se ha propuesto el uso de polisacáridos de grado alimenticio como
floculantes porque dan beneficios como que no son tóxicos, por su disponibilidad en abundancia y
por su biodegradabilidad (Mishra et al., 2003). Un de las líneas de investigación al respecto es el
estudio de las galactomananas. Desde su aplicación en coagulación y floculación hasta el grado en
que se ha sugerido diseñar estrategias moleculares para cambiar la composición de la pared de
polisacárido del endospermo para aplicaciones científicas e industriales (Otegui, 2007). Algunos
autores han propuesto que las propiedades de las gomas naturales pueden mejorar interacciones
con otros compuestos debido a sus numerosos grupos OH- que presentan. Esto les confiere
importancia industrial, principalmente porque los materiales crudos se pueden obtener a un costo
más bajo que los productos sintéticos o sales inorgánicas (Srivastava y Kapoor, 2005).
Algunas de las aportaciones de los estudios realizados con polímeros naturales son el de
Sen Gupta y Ako (2005) en que proponen que la goma guar se puede utilizar como una alternativa
más segura a la PAA (Poliacrilamida) en el tratamiento de agua para beber o para elaboración de
alimentos. Otro caso es el del cactus que se ha investigado tiene un gran futuro para aplicarse a
gran escala, a pesar de que el desarrollo en la aplicación de éste está limitada a nivel laboratorio
(Zhang et al., 2006).
Es necesario proponer el mecanismo por el que los biopolímeros son capaces de promover
la coagulación y floculación de los coloides presentes en el agua residual cruda, sea municipal o
industrial. El primer mecanismo propuesto por Bolto y Gregory (2007) es el de interacciones
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 91
electrostáticas donde el coloide el biopolímero con cargas opuestas son adsorbidos. El segundo
mecanismo es la formación de puentes de hidrógeno donde los biopolímeros pueden adsorber
sobre otras superficies coloidales usando puentes H. Las gomas de guar, algarrobo, mezquite y
mucílago de nopal contienen grupos hidroxilo que pueden formar esos puentes-H. Finalmente,
ocurre un puenteo cuando el biopolímero formado por una cadena polimérica es capaz de atrapar
múltiples partículas (Fig. 18).
Figura 18. Mecanismos propuestos de interacción entre biopolímeros y coloides. (a) Floculación por puenteo (b) adsorción y puenteo.
Tomado de Williams, 2007 y Bolto y Gregory, 2007, respectivamente.
Este trabajo pretende ofrecer información acerca del uso de biopolímeros en el
tratamiento de aguas residuales por medio de coagulación y floculación. Del mismo modo
introducir el uso de productos que pueden obtenerse a partir de plantas ampliamente distribuidas
en México (mezquite y nopal) para diversificar su uso e incrementar su valor económico. Por otro
lado ofrecer información sobre la eficiencia de los biopolímeros usados como único producto en la
coagulación y floculación, identificar dosis y condiciones óptimas y a su vez analizar los lodos
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 92
generados. De algún modo se genera una base de datos para poder escalar el uso de estos
productos probándolo en dos muestras de aguas residuales de distintas características.
Así como los polisacáridos naturales como almidón y celulosa, o como los residuos
forestales y residuos agrícolas están cobrando más importancia es probable que estén captando
mercados más nuevos en el futuro. Y una de las razones es la percepción de que estos materiales
son más respetuosos con el medio ambiente y son inherentemente biodegradables (Varma, 2005).
Las galactomananas y el mucílago de nopal también merecen atención por sus propiedades y
beneficios que éstos aportan.
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
CONCLUSIONES 93
7. CONCLUSIONES
Los biopolímeros tienen el potencial para sustituir el uso de sales inorgánicas y polímeros
sintéticos en el tratamiento de agua residual municipal y agua residual generada en la producción
de cosméticos por medio de coagulación y floculación.
Una de las ventajas que ofrece el uso de biopolímeros es que no es necesario modificar el
pH del agua residual inicial.
Las mejores condiciones para cada uno de los biopolímeros y sal con agua residual
municipal son:
Guar a una concentración de 25 mg/L con carga orgánica 3 removió el 72.7% de la
turbiedad, el 51.44% de DQO, lo que equivale a remover 733.3 mg de DQO. Esto
representa 29.3 mg DQO removidos por cada miligramo del biopolímero.
Mucílago de nopal a concentración de 25 mg/L con carga orgánica 3 removiendo el
71.08% de la turbiedad y 44.42% de DQO. Representando 633.3 mg DQO removidos o
bien, 25.33 mg DQO removidos por cada miligramo del biopolímero.
Mezquite a 25 mg/L con carga orgánica 2 removió 73.09% la turbiedad y 52.81% de DQO.
Siendo esto 700 mg DQO removidos o bien 28 mg DQO removidos por cada miligramo del
biopolímero.
FeCl3 a concentración de 25 mg/L con carga orgánica 3 removió 71.08% de la turbiedad y
65.47% de DQO. Esto es 933.34 mg DQO removidos o bien, 37.3 mg DQO por cada
miligramo de la sal.
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
CONCLUSIONES 94
Los biopolímeros funcionaron mejor con la dosis más baja (25 mg/L), removiendo entre 44
y 52% de DQO. Presentaron comportamiento similar ya que removieron entre 25 y 20 mg DQO por
cada mg de biopolímero.
Las mejores condiciones para cada uno de los biopolímeros y sal con agua residual
Industrial son:
Guar a una concentración de 300 mg/L con carga orgánica 3 removió el 67.8% de la
turbiedad, el 56.64% de GyA y 22.5% de DQO. Corresponde a remover 3,000 mg DQO o
bien 10 mg de DQO por cada miligramo de biopolímero.
Algarrobo a concentración de 300 mg/L carga orgánica 3 remueve 67.83% de la turbiedad,
3.11% de GyA y 25.02% de DQO. Esto es 3,333.4 mg DQO removidos o bien, 11.11 mg de
DQO por cada miligramo de biopolímero.
Mucílago de nopal a 150 mg/L con carga orgánica 3 removió 49.57% de la turbiedad,
52.29% de GyA y 23.76% de DQO. Esto representa 3,166.7 mg DQO removidos o bien 21
mg DQO por cada miligramo de biopolímero.
FeCl3 con 500 mg/L carga orgánica 2 removió 70.49% de la turbiedad, 87% de GyA y
47.76% la DQO. Es decir, removió 4,900 mg DQO o 9.8 mg DQO por cada miligramo de la
sal.
Las galactomananas (gomas de guar y algarrobo) funcionaron mejor con la dosis media
(300 mg/L) con remociones de DQO entre 22 y 25 %. Pudieron remover 10 y 11 mg DQO por cada
mg de biopolímero.
El mucílago de nopal funcionó mejor con la dosis más baja (150 mg/L), removiendo el
doble de mg DQO por cada mg de biopolímero (21 mg DQO/mg), respecto a las galactomananas.
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
CONCLUSIONES 95
El volumen del lodo producido tiene relación directa con la carga orgánica del agua
residual inicial. A mayor carga, más lodo producido.
La densidad del lodo generado de agua residual municipal mostró diferencia significativa
para todos los experimentos. Mientras que en los lodos generados con agua residual industrial no
hay diferencias significativas.
Los lodos generados de agua residual municipal contienen el 10% del material
biodisponible, aproximadamente.
El contenido de metales que se presentó en los lodos generados se encuentra por debajo
de los límites máximos permisibles que señala la NOM-004-SEMARNAT-2002 tanto en los
generados con agua residual municipal como industrial.
En general, en agua residual municipal, el parámetro que más afecta las variables
respuesta evaluadas es la carga orgánica, seguida del tipo de biopolímero y al final la dosis de éste.
En el caso de agua residual industrial, en la mayoría de las variables respuesta evaluadas,
influye más el tipo de biopolímero, seguido de carga orgánica y al final la dosis del biopolímero.
Los biopolímeros pueden estar funcionando por medio de interacciones electrostáticas
con coloides de carga opuesta. Los biopolímeros adsorben los coloides por medio de enlaces de
hidrógeno ya que poseen grupos hidroxilo en su estructura. La floculación ocurre cuando el
biopolímero hace puenteo a través de su cadena polimérica la cual es capaz de captar múltiples
partículas.
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
CONCLUSIONES 96
Este trabajo demuestra la aplicabilidad de biopolímeros (goma guar, algarrobo, mezquite y
mucílago de nopal) en la coagulación y floculación tanto de agua residual municipal como de agua
residual industrial con carga orgánica alta.
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
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ANEXO 1 Artículo enviado Prosopis y Opuntia en Agua Residual Municipal
105
9. ANEXO 1 Artículo enviado Prosopis y Opuntia en Agua Residual Municipal
Submitted to Journal of Polymers and the Environment
Use of Prosopis laevigata seed gum and Opuntia ficus-indica mucilage for the treatment of
municipal wastewaters by coagulation-flocculation
L.G. Torres, S. Carpinteyro-Urban, and M. Vaca*
Departamento de Bioprocesos. Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnologia-
Instituto Politecnico Nacional. Av. Acueducto s.n. Col. Barrio la Laguna Ticoman. Mexico
07340 D.F. MEXICO.
*Departamento de Energía. Universidad Autónoma Metropolitana. Unidad Atzcapotzalco. Mexico,
D.F. MEXICO
Abstract
Prosopis laevigata and Opuntia ficus-indica are trees or shrubs that grow in arid and semiarid
regions of Mexico and other countries. Both produce biopolymers with interesting characteristics
from the rheological point of view, but also because of their coagulating-flocculating capabilities.
Some Prosopis species produce galactomannans inside the endosperm, very similar to those found
in guar, locust beans and tara gums. Opuntia sp. produces mucilage which contains
polygalacturonic acid (very similar to pectin) and five neutral sugars. Many applications have been
reported for the biopolymers, more related to the food industry. In the case of Prosopis seed gum
it has never been proposed to use it as coagulant-flocculant before. In the case of Opuntia
mucilage, some authors have suggested its use in the treatment of waters, using either the
mucilage or the whole cladode powder. The use of these products in the treatment of municipal or
even industrial wastewaters would promote diverse benefits. From the environmental point of
view, treated waters with no Fe and Al or synthetic polymers would be obtained (with less toxicity
risk). Besides, the produced sludges would present better quality in terms of density,
biodegradability and metals content. From the economical point of view, the use of these
biopolymers would give an added value to the Opuntia and Prosopis culture in Mexico, helping
small communities to enhance their incomes and producing environment-friendly products. This
work shows that both Prosopis galactomannan and Opuntia mucilage are capable of treating
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ANEXO 1 Artículo enviado Prosopis y Opuntia en Agua Residual Municipal
106
municipal wastewaters with an initial organic charge of about 375 mg/L as COD (chemical oxygen
demand) by coagulation-flocculation process, with COD removals for mesquite seed gum up to 90
% (pH=10, dose of 75 mg/L) and 60% (pH=7, dose of 50 and 150 mg/L). In the case of mucilage,
65% of the initial COD was removed at pH =10 (dose of 50 mg/L) and 55% at pH = 7 (dose of 25
mg/L). These figures are very promising for the treatment of wastewaters, with environmental-
friendly products.
Keywords coagulation-flocculation, desertic zones, guar gum, locust bean gum, mesquite seed
gum, Opuntia ficus-indica.
1. INTRODUCTION
Prosopis laevigata (Humb. Et Bonpl. Ex Wild), also known as Prosopis dulcis, Mimosa rotundata,
Neltuma laevigata, and Acacia laevigata (among others) is a tree with maximum height up to 13 m
and a diameter of 0.8 m (see figure 1). This tree is widely distributed in South America (Venezuela
and Colombia), Panama, Las Antillas and Mexico. In Mexico, Prosopis sp. is found in the pacific
coast from Michoacan down to Oaxaca and near the Gulf of Mexico (i.e., in Nuevo Leon,
Tamaulipas and the north of Veracruz). It is also distributed in central regions up to 2,300 m, such
as San Luis Potosí, Guanajuato, Zacatecas, Durango, Coahuila and Hidalgo (SIRE, 2010). This plant
has been introduced into India and spread all over the country particularly in the semi-arid and
wastelands (Mathur and Mathur, 2005).
The whole tree is being used as a source of firewood, and its pods are used as fodder for cattle
(sheep and goats). The endosperm portion of the seed contains galactomannan gum, very similar
to guar gum.
The two best studied galactomannans-producing Prosopis species are P. juliflora (Mathur and
Mathur, 2005; Azero and Andrade, 2006) and P. pallida (Chairez-Martinez et al.2008). In Mexico,
this species is known as mezquite. In order to differentiate the plant exudates and the gum
contained inside the endosperm, this gum will be called seed gum.
The Prosopis galactomannans share many characteristics of other related galactomannans such as
locust bean, guar and tara gums (Chairez-Martínez et al. 2008). These characteristics include its
capabilities as thickening agents, the low surface tension of gum dispersions, the tendency to form
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ANEXO 1 Artículo enviado Prosopis y Opuntia en Agua Residual Municipal
107
gels alone or when combined with other gums (such as carrageenan, agar and xanthan gum).
Finally, galactomannans can act as a coagulant-flocculant agent for treating wastewaters and
waters for human consumption (Yin, 2010).
Galactomanans have been obtained traditionally from Cyamopsis tetragonolobo (guar gum),
Caesalipina spinosa (tara gum), and Ceratonia siliqua (locust bean gum). Besides, there are reports
of other species of leguminosae galactomannans producers such as Adenanthera pavonina,
Caesalpinia pulcherrrima, Gleditsia triacanthos and Sophora japonica (Cerqueira et al.2009).
Other known legume galacomannan-polysaccharides are fenugreek (from Trigonellafoenum
graecum), cassia (from Casia tora), lucerne (from Medicago sativa) and clover (from Trifolium
pretense) (Mathur and Mathur, 2005).
Opuntia ficus-indica is a cactaceae from arid and semiarid regions, in the form of shrub or tree up
to 5 m tall, forming sturdy trunk when aging (see figure 2). This species is native from Mexico, but
it was introduced into Southern Europe, Africa and India a long time ago (PROSEA, 2010).
Traditionally, it is used for defensive hedge, as support for cochineal production of dyes
(acaraminic acid), fodder and edible fruit. The boiled cladodes are edible and very frequently used
in mexicans diet in dishes such as salads, soups or main dish, combined with hot sauces and meat.
The biophysical limits for Opuntia sp. are the following. Altitude 0-2,600 m. Mean annual
temperature 18-26ºC. Mean annual rainfall from 150-600 mm. (Agro forestry tree database,
2010).
The mucilage extracted from the cladodes of Opuntia sp. contains basically polygalacturonic acid
(very similar to pectin structure), plus residues of some sugars such as D-galactose, D-xylose, L-
arabinose, L-rhamnose and D-galacturonic acid (McGarvie and Parolis, 1979). Some authors have
already suggested that Opuntia sp. mucilage has a functional component with industrial
perspectives (Saenz et al.2004), and have reported papers regarding its extraction and
characterization (Sepulveda et al., 2007).
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ANEXO 1 Artículo enviado Prosopis y Opuntia en Agua Residual Municipal
108
Goycoolea and Cardenas (2003) have reported an excellent review about pectins from Opuntia sp.
They have stated the pectin content in some species and in some fruits (for comparison purposes),
as well as of the sugar composition of Opuntia mucilage extracted by alkaline process. Finally, they
have discussed the properties of the obtained mucilage including gelling, rheological and
physiological properties of pectin.
The use of Opuntia sp. as coagulant in water treatment has been reported by some authors (Zhang
et al.2006; Yin 2010). Besides, Miretzky et al.(2008) have reported the use of Opuntia
streptacantha as a low cost biosorbent for lead in water treatment.
Though the use of Opuntia sp. mucilage (or the whole cladode dry powder) has been proposed as
a coagulant-flocculant agent, most of these works used real or simulated wastewaters (most of
them simulated ones) where only changes in turbidity have proved the efficiency of Opuntia
mucilage as coagulant-flocculant agent (Zhang et al. 2006; Miller et al.2008). In other work
(Bandala et al.2010) the use of the whole cladode, dried and milled as a coagulant-flocculant agent
has been suggested with excellent results.
Coagulation-flocculation process has been applied to treat municipal and industrial wastewaters.
The system has many advantages over other treatment systems. One problem associated with this
methodology is the generation of residual sludges. Very frequently these sludges contains high
amount of metals, since the preferred coagulants are salts of Al and Fe. These metals make the
sludges difficult to treat by biological methods. Biochemical to chemical oxygen demand ratios,
BOD/COD could be low for these sludges.
Preliminary results (Carpinteyro-Urban et al. 2010) indicate that natural gums work as coagulant-
flocculant elements, producing fair values of COD, turbidity and salts removals, with slight changes
in the final pH. In comparison with the use of ferric chloride, the use of the polysaccharides (in
particular, mesquite seed gum and Opuntia mucilage) seems to be very promising
The use of natural coagulant-flocculants will promote more biodegradable sludges at the end of
the process. In this work, the use of natural polymers such as guar, locust bean and mesquite seed
gum, as well as Opuntia indica mucilage is proposed. Guar and locust bean gums are
galactomannans produced by plants from the leguminosae genera.
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109
Finally, the coagulation-flocculation capabilities of all these natural products were compared to
the use of FeCl3, a chemical coagulant very frequently employed in wastewater treatment. It is
important to remark that no synthetic polymer will be added after FeCl3 addition. This fact would
seem disadvantageous for FeCl3, but it has been reported that the use of a synthetic polymers can
promote additional COD removals of around 10-15% to that obtained only with FeCl3 (Myjailova et
al.1996).
The use of these seed gum and mucilage obtained from plants widely distributed in arid zones of
Mexico, will contribute to give added value to the culture of Opuntia indica and Prosopis laevigata.
2. MATERIALS AND METHODS
Natural biopolymers guar and locust bean gums were purchased at Drogueria Cosmopolita
(Mexico, D.F. Mexico). Cosmedia guar (a cationic derivative of guar gum) was purchased at Grupo
Lar (Mexico, D.F. Mexico).
Opuntia cladodes without any spines were purchased in a public market (Ciudad de Mexico,
Mexico). Cladodes were washed repeatedly with tap water. Mucilage was produced boiling the
cladodes cut in small pieces, until the material was light green and soft (20-30 min). Cladodes cuts
were separated from the mucilage solution using a rough screen.
Total TS and volatile solids VS were determined in accord with following Standard Methods (1995).
VS were used for calculation of mucilage concentration.
Mesquite seed gum was produced as follows. Pods were collected in an arid region in the state of
Guanajuato (Mexico). The endosperms are inside the pods, covered by a stiff layer, very similar to
a lentil. Endosperms were extracted using NaOH diluted solutions. Afterwards, endosperms were
milled and sieved. The white-creamy powder was washed using ethanol in a Soxhlet system, until
no oil remained. Powder was dried at environmental temperature and stored in a glass flask until
its use.
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110
All biopolymers were employed in solutions with concentrations from 50 to 150 mg/L. Ferric
chloride (J.T. Baker, Mexico) was employed for comparison purposes at the same concentrations.
Jar-test equipment was used with beakers containing 1 L of wastewater. The removals of COD,
turbidity and dissolved salts (measured as electrical conductivity) as well as the changes in the pH
values were measured following Standard Methods (1995). Municipal wastewaters were sampled
from San Juan Ixhuatepec wastewater treatment plant (Estado de Mexico) at the influent, after
the screens which remove large particles and big plastic materials. Sludge volumes were measured
using 1 L Imhoff cones during 60 min.
3. RESULTS AND DISCUSSION
3.1 Characterization of the wastewaters
General characteristics of the real municipal wastewaters are those presented in table 1. The COD
value of the stream (827 mg/L) resulted quite high for a municipal wastewater. The ratio BOD/COD
resulted in 0.53, which means that about the half of the present material could be degraded by
microbial means. In other measurements (data not shown), it was determined that CODT/CODs is
about 0.56. CODT and CODs represent the total COT and the dissolved fraction, respectively.
The pH value of wastewater was rather acid, and conductivity was about 1900 S. Hardness
was288 mg/L, MBAS, 4.1 mg/L, and grease and oils, 230mg/L. All metals evaluated were present in
quite low values, except Cr which was below the detection limit.
3.2 Results of preliminary coagulation-flocculation experiments
Four experiments were carried out using the Jar-test system. Four different concentrations of the
biopolymer (or FeCl3) were studied (50, 75, 125 and 150 mg/L). In a second experiment, dose was
fixed in 75 mg/L and pH was modified. In a third experiment, pH was adjusted at 10 and the dose
of coagulant-flocculant agents was modified.
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111
Initial wastewater characteristics were: pH = 7.01, conductivity = 1.97 S, turbidity 453 units, and
COD = 375.5 mg/L. Turbidity removals in the coagulation-flocculation assessments were as large as
37.2% for FeCl3 and 31.7% for guar gum. This concentration (75 mg/L) seems to be the optimum
under the described conditions. The turbidity removal with 50 mg/L of LBG was of 26.83%.
Results regarding the COD removal (Fig. 3) were as follows. Best results were achieved using FeCl3
(93%) at 150 mg/L. Regarding the natural gums, the best result was obtained with 150 mg/L of
mesquite seed gum. (57.7%). Mesquite gum at 50 and 75 mg/L resulted in fairly good COD
removals (57.7 and 53.2%). Note that COD removal for mesquite seed gum was inversely
proportional to its concentration. That is a good remark, since the lower the coagulant dose, the
lower the wastewater total treatment total cost. Using guar gum COD removals higher than 20% at
polymer concentrations of 50and 75 mg/L were achieved. did show a COD removal with Opuntia
mucilage was very similar to mesquite seed gum under these conditions, except at a concentration
of 150 mg/L.
Though salinity removal is not a feature of coagulation-flocculation process, in some cases
dissolved salts were removed by a drag phenomenon (data not shown). Salinity removals were a
function of the polymer/salt concentration. Values were quite low, i.e. between 0 and 5%. Best
salinity removals were observed when using guar and locust bean gums (150 mg/L) and mesquite
gum (125 mg/L).
pH is a very important issue for coagulation-flocculation processes. First, it is desirable that no pH
change be necessary for the initial wastewaters treatment. Second, it is desirable that final pH
values are near neutrality after the coagulation-flocculation processes. In this respect
galactomannans, as well as FeCl3, slightly increased the pH value of the treated wastewaters. On
the other hand, Opuntia mucilage promoted a diminution of the pH value, up to 5.94 unites when
using a 125 mg/L concentration (data not shown).
Sludge production in mL/L of wastewater is presented in Figure 4. It can be noted that for all the
polymers and FeCl3, sludge production was higher as the polymer/salt concentration raised.
Unexpectedly, mucilage did show a slight COD and turbidity removal at the assessed
concentrations. In fact, mucilage assessments showed the higher sludge productions at
concentrations of 125 and 150 mg/L (more than 2.5 mL/L). Other important sludge productions
were found when using guar gum (150 mg/L) and mesquite seed gum (125 mL/L).This issue is very
interesting, since the amount of sludge produced in a real-scale process is determinant for the
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ANEXO 1 Artículo enviado Prosopis y Opuntia en Agua Residual Municipal
112
process. Produced sludges could be very light (low density) or heavy (high density) but useful
dewign information is not complete if only the amount of produced sludge is reported.
It is important to remember (Wang et al.2005) that FeCl3 works better at acidic pH values (4-5), so
these assessments were influenced by that fact. In the future, new tests will be carried out using
acidic values for wastewaters pH values.
Note that for a fixed amount of coagulant-flocculant (75 mg/L) (see figure 5), , the best result for
biopolymers was observed for Opuntia mucilage with approximately a 50% COD removal. In the
case of pH = 7, best result was for guar gum with a COD removal of 70% while at pH = 9, both guar
and mucilage obtained a 65% of COD removal. At last, for pH = 10, best results were shown using
mesquite seed gum, with a 90% COD removal. Lower values were obtained for other polymers at
each pH value.
Sludge production for those experiments is shown in Fig. 6. Sludge volumes were directly
proportional to the pH value, but the relationship was not linear. For pH between 5 and 7, sludge
volumes of about 10 mL/L were observed. For an alkaline pH value (9), these volumes were
between 10 and 20 mL/L. Finally, for a pH value of 10, sludges were up to 40-75 mL/L. We
hipothetisize that this amount of sludge is due to the effect of the pH over the biopolymer and the
interaction with colloidal material present in the wastewaters, or due to the effect of pH over the
colloidal material directly. Though data are not shown, modification of the wastewater pH value
promoted the sedimentation of quite high amount of solids without the addition of any salt or
polymer. This could imply that the sludge production was more related with the instability of
colloidal material at alkaline pH values.
3.3 Effect of pH over the coagulation-flocculation process
The following experiments were carried out at a pH = 10 with different salt or biopolymers doses.
At this point it is important to remember that modification of wastewaters pH is feasible, but it
represents an operational cost. So, it will be necessary to take this in account when discussing if
the COD removals at pH different from the original pH value. The results of experiments at pH= 10
are presented in Figure 5. It is noticeable that COD removals were in general much better than
those observed for experiment with pH = 7. Secondly, it seems that all COD removals are an
inverse function of salt or polymer dose.
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
ANEXO 1 Artículo enviado Prosopis y Opuntia en Agua Residual Municipal
113
If we take the case of Opuntia mucilage, very good COD removals were observed, i.e., 60, 50 and
40 % for polymer doses of 50, 75 and 100 mg/L, respectively. In the case of guar gum, removals of
70, 80 and 70% were obtained for doses of 50, 75 and 150 mg/L. Obviously the 150 mg/L is not a
valid option. On the other hand for a dose of 125 mg/L, no COD removal was observed inexplicably
(figure 7).
In the case of mesquite seed gum, attractive COD removals were obtained. For doses of 50, 75,
100 and 150 mg/L, removals of 60, 90, 80 and 50% were obtained. The use of 75 mg/L of mesquite
seed gum at pH= 10 was the best result for COD removal in the entire study
The results of wastewater treatment at pH = 10, with different biopolymers (or FeCl3) at doses
from 50 to 150 mg/L are shown in Figure 7 It is remarkable that the best treatment was obtained
when using mesquite seed gum at 75 mg/L concentration, reaching a 90% of COD removal (more
than the COD removal obtained with FeCl3). These data were followed by the results of the guar
gum. For doses of 50, 75 and 100 mg/L of mucilage, COD removals of 60, 50 and 40 mg/L were
obtained, respectively.
The results of sludge production under the same conditions can be observed in Figure 8, Again,
sludge production in mL/L was very dependent on the coagulant-flocculant dose, reaching values
between 40 and 85 mL/L for the whole set of experiments.
4. CONCLUSIONS
This work showed that guar, locust bean and mesquite gums, as well as Opuntia mucilage have
potential to replace Fe or Al salts in the coagulation-flocculation process.
The COD, salt, and turbidity removals using biopolymers were quite good and comparable to those
observed when using FeCl3. Sludge production was in general lower for biopolymers that those
observed when using FeCl3, but it was very dependent on pH and amount of coagulant-flocculant
employed.
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
ANEXO 1 Artículo enviado Prosopis y Opuntia en Agua Residual Municipal
114
Both Prosopis galactomannan and Opuntia mucilage were capable of treating municipal
wastewaters with initial organic charges of about 375 mg/L as COD by coagulation-flocculation
process with COD removals for mesquite seed gum up to 90 % (pH=10, dose of 75 mg/L) and about
60% (pH=7, dose of 50 and 150 mg/L). In the case of mucilage, 65% of the initial COD was removed
at pH =10 (dose of 50 mg/L) and 55% at pH = 7 (dose of 25 mg/L). These figures are very promising
for the treatment of wastewaters, with environmental-friendly products.
In agreement with Yin (2010), it was corroborated that plant based coagulants provide
environmental benefits and numerous laboratory and scale studies are proving that the utilization
of these products is technically feasible.
AKNOWLEDGEMENTS
This work was supported by ICyT-DF; Grant PICSO10-8. Authors thank the San Juan Ixhuatepec
(Estado de Mexico) wastewater treatment plant for the use of raw wastewaters. Authors also
thanks the help of G. Cuevas (Universidad de Guanjuato) for his help in the collection of the
Prosopis pods and L. Corzo (UPIBI-IPN) for his help in the solvent washing of the Prosopis bean
powder and the determination of some biopolymers characteristics.
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Tables
Table 1. Wastewater initial conditions.
Parameter value Parameter Value
pH 6.69 units Hardness as CaCO3 288.81
Conductivity 1,869 S MBAS 4.14 mg/L
Color Pt/Co 550 unities Grease and oil 230.6 mg/L
Turbidity 453 TNU Al 0.983 mg/L
COD 827 mg/L Cr <0.06 mg/L
BOD 444 mg/L Fe 1.40 mg/L
Total solids 0.0015 mg/L Pb 0.42 mg/L
MBAS: methylene-blue active substances, a measure of ionic surfactants.
UNT: nephelometric units
COD: chemical oxygen demand
BOD: biological oxygen demand
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
ANEXO 1 Artículo enviado Prosopis y Opuntia en Agua Residual Municipal
118
Figures
Figure 1. Prosopis laevigata tree and pods.
Figure 2. Opuntia ficus-indica shrub and fruit.
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
ANEXO 1 Artículo enviado Prosopis y Opuntia en Agua Residual Municipal
119
Figure 3. COD removal at pH 7 vs. Coagulant-Flocculant concentration.
Figure 4. Sludge production at pH 7 vs. Coagulant-Flocculant concentration
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 25 50 75 100 125 150
CO
D r
em
ov
al
(%)
Concentration (mg/L)
LBG GUARMESQUITE MUCILAGEFeCl3 COSMEDIA GUAR
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 25 50 75 100 125 150
Slu
dge
pro
du
ced
(m
L/L)
Concentration (mL/L)
LBG GUAR
MESQUITE MUCILAGE
FeCl3 COSMEDIA GUAR
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
ANEXO 1 Artículo enviado Prosopis y Opuntia en Agua Residual Municipal
120
Figure 5. COD removal at 75 mg/L vs. pH.
Figure 6. Sludge production at 75 mg/L vs. pH.
0102030405060708090
100
3 4 5 6 7 8 9 10 11
CO
D r
em
ov
al
(%
)
pH
LBG GUAR MESQUITE MUCILAGE FeCl3
0
10
20
30
40
50
60
70
80
3 4 5 6 7 8 9 10 11
Slu
dg
e
pro
du
ced
(m
L/L
)
pH
LBG GUAR MESQUITE MUCILAGE FeCl3
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
ANEXO 1 Artículo enviado Prosopis y Opuntia en Agua Residual Municipal
121
Figure 7. COD removal at pH 10 vs. Coagulant-Flocculant concentration.
Figure 8. Sludge production at pH 10 vs. Coagulant-Flocculant concentration.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 25 50 75 100 125 150
CO
D
Rem
ov
al
(%
)
Concentration (mg/L)
LBG
GUAR
MESQUITE
MUCILAGE
FeCl3
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 25 50 75 100 125 150 175
Slu
dg
e p
rod
uced
(m
L/L
)
Concentration (mg/L)
LBG
GUAR
MESQUITE
MUCILAGE
FeCl3
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
ANEXO 2 Artículo enviado Biopolimeros en Agua Residual Industrial
122
10. ANEXO 2 Artículo enviado Biopolimeros en Agua Residual Industrial
Submitted to Journal of Environmental Management
Use of guar and locust bean gums and Opuntia mucilage in the coagulation-
flocculation of a high-load cosmetic industry wastewater
S. Carpinteyro-Urban*, M. Vaca** and L.G. Torres*
*Depto. Bioprocesos. Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnologia- IPN. Av.
Acueducto s.n. Col. Barrio la Laguna Ticoman. Mexico 07340 D.F.
(Corresponding autor E-mail: [email protected])
** Departamento de Energía. UAM Azcapotzalco. Av. San Pablo 180, Mexico, DF.
02200 Mexico
Abstract
In this paper, it was proposed to evaluate three biopolymers in the coagulation-
flocculation treatment of a high-load industrial wastewater (WW) fulfilling the role of
coagulant and flocculant. Evaluation of the biopolymers was carried using a high-load
cosmetic industry wastewater. Samples were analyzed after reception and stored at 4o
C until they were used. All Jar-tests were developed at room temperature.
Physicochemical parameters were measured to characterize the WW. COD, BOD, TS,
pH, conductivity, hardness, MBAS, oil and greases and 4 metals were determined
following Standard Methods. When using guar, locust bean gum (LBG) and Opuntia
ficus indica mucilage, conductivity removals as high as 20.1% were recorded.
Regarding the turbidity removals, values up to 67.8% were found. Finally, COD
removals as high as 38.6% were observed, which implies the removal of 4,333 mg
COD/L. The best value to be taken into account is probably the COD removed per
polymer or salt dose. The maximum efficiency was found for mucilage, with a figure of
21.1 mg COD/mg polymer. At the end of the process, pH was in the range of 5.82 to
7.3 unites, even when the initial WW pH value was 5.6. The production of sludge was
very dependent on the WW organic load.
Keywords Cosmetic industry, coagulation-flocculation, guar gum, LBG, Opuntia indica
mucilage.
INTRODUCTION
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
ANEXO 2 Artículo enviado Biopolimeros en Agua Residual Industrial
123
One method used very frequently for treating wastewater (WW) is the coagulation-
flocculation process (CF), which offers many advantages over other treatments, but
some of the problems found when using CF processes are the following. 1) The use of
Fe or Al salts plus a synthetic flocculant polymer will lead to the production of waters
containing high amounts of Al, Fe and the synthetic polymer (very frequently derived
from polyacrylamide), which make very difficult to treat them by biological methods
(Sincero and Sincero, 2003). 2) The same can be said regarding the production of
sludges at the end of the process. These sludges must be treated before disposition as
stated in environmental laws. 3) The use of Fe and Al salts implies that for optimizing
the process, pH of the WW must be fixed at suggested pH values (6.4-6.5). It is clear
that the use of biopolymers in CF can produce more biodegradable sludges. On the
other hand, no change of the WW pH value is necessary as a general rule.
Some of these biopolymers have been used previously to aid in the treatment of WW
by CF such as locust bean (LBG) and guar gums (Torres et al, 2009) and cactus
mucilage (Zhang et al, 2006; Miller et al, 2008). Mesquite has been reported as having
coagulant potential (López-Franco et al, 2006) and has been applied for the treatment
of raw waters for human consumption and for treating municipal wastewaters
(Carpinteyro-Urban et al, 2009).
Mishra and Bajpai (2005) have reported the use of Plantago psyllium mucilage to treat
wastewaters containing dyes from textile industry, specifically golden yellow and
reactive black. Sanghi et al (2006a) used guar gum and Ipomea dasysperma as an
effective coagulant for the decolorization o textile dyes solutions. The same research
group has worked with the Cassia javahikai seed gum together with gum-g-
polyacrylamide as coagulant aid also for the decolorization of textile dye solutions
(Sangi et al, 2006b).
In Venezuela, Diaz et al (1999) have reported a preliminary evaluation of turbidity
removal by natural coagulants (Cactus latifaria and Prosopis juliflora). As another
example, Gupta and Ako (2005) applied guar gum as a flocculant aid in food
processing and potable water treatment. Singh et al (2000) have published an
excellent review regarding novel biodegradable flocculants based on polysaccharides.
These authors discuss the use of natural polysaccharides such as starch, gums, glues,
and alginate, but they also consider modified natural products by chemical modification
such as chemical substituted guars, modified cellulose and the grafted amylopectines,
to mention some.
Guar and locust bean gums are galactomanans with different glucoronic-manuronic
G/M ratio. Both are reserve polysaccharides found inside a bean from trees arising
from the Mediterranean zone and India, respectively. Both polysaccharides have
multiple uses as viscosifyng and gelling agents in the cosmetic, food and printing
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
ANEXO 2 Artículo enviado Biopolimeros en Agua Residual Industrial
124
industries (See figure 1). They have also been reported by their emulsion-stabilizing
properties. On the other hand, Opuntia indica (nopal) produces a pectin-like mucilage.
This mucilage is composed mainly by polygalacturonic acid, but also contains a
number of neutral sugars. The mucilage is obtained after boiling the cladodes, cut in
small pieces (See figure2). Other authors have suggested the use of the dry whole
cladode, milled and sieved. In this work we studied the mucilage; this in turn is a by-
product in the production of ready-to-eat small portions nopal bags in Mexico.
Torres et al (1997) employed guar and locust bean gums, as well as ferric chloride and
some synthetic coagulant-flocculants in the treatment of high-load chemical-
pharmaceutical industry wastewaters. The wastewaters had a COD load of about
63,650 mg/L, TDS of 44,555 mg/l, alkalinity of 490 mg/l, and MBAS of 3.82 mg/L.
Different coagulant-flocculant products were capable of obtaining high COD removals.
BL-5086 and guar gum obtained a 40.6% removal, followed by Niad II-3 and ferric
chloride at the end with 33.4%. Other aspects related with the type of impellers, the
agitation speeds in the coagulation and flocculation stages, and the production of
sludges was also discussed in the mentioned paper.
Carpinteyro-Urban et al (2009) reported the use of guar, locust bean and mesquite
gums, as well as Opuntia ficus indica mucilage as efficient coagulation-flocculation
agents in the treatment of municipal wastewaters. The WW contained about 820 mg/L
of COD and 444 mg/L of BOD, indicating a BOD/COD ratio of around 0.5. Using
different doses of the four polymers and FeCl3 with comparison purposes, the turbidity,
COD, and conductivity (as a measure of the salinity) removals were assessed. Best
values were obtained when using LBG at 50 mg/L. Best conductivity removal was
obtained when using 150 mg/L of guar gum (5%), while the best turbidity removal was
achieved when employing 125 mg/L of guar gum.
In this paper, it is proposed to evaluate three biopolymers (guar and mesquite gums
and cactus mucilage) in the CF treatment of a high-load industrial WW, fulfilling the
role of coagulant and flocculant. Evaluation of the polymers will be carried using a
high-load cosmetic industry wastewater.
MATERIALS AND METHODS
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
ANEXO 2 Artículo enviado Biopolimeros en Agua Residual Industrial
125
WW were collected from a cosmetic industry plant located in Mexico. Samples were
analyzed after reception and stored at 4o C until they were used. All Jar-tests were
developed at room temperature.
Physicochemical parameters were measured to characterize the WW. COD, BOD, TS,
pH, conductivity, hardness, MBAS, oil and greases, Al, Cr, Fe and Pb were determined
following Standard Methods (APHA, AWA and WPCF, 1989). Zeta potential (ZP)
values were measured in a Nanoseries Zetameter at different pH values (3 to 10).
Previous studies allowed to fix the parameters ranges for a 3K type experimental
design.
Three COD initial values low, medium and high (6,000, 10,200 and 13,300 mg/L,
respectively) were assessed. Different COD load WW were prepared by dilution of the
original WW. Three natural polymers guar gum, locust bean gum (LBG) and Opuntia
mucilage were employed at three concentrations of 150, 300 and 500 mg/L. Ferric
chloride was employed for comparison purposes at the same concentrations. Jar test
equipment was used with beakers containing 1 L of wastewater. Samples were stirred
under the following conditions: 1) rapid mixing at 100 rpm for 3 minutes, 2) low mixing
at 20 rpm for 15 minutes, and 3) sedimentation for 20 minutes (Torres et al., 2009).
Samples of the wastewaters were taken after and before the CF process for analysis of
COD, turbidity, conductivity and pH.
Food-grade Guar and LBG were purchased (Drogueria Cosmopilita, Mexico), while
nopal mucilage was prepared as follows. The mucilage was obtained boiling the
cladodes cut in small pieces. The volatile solids VS were measured in accord to
Standard Methods (APHA, AWA and WPCF, 1989) and taken as the measure of the
mucilage present in the water after boiling the nopal cladodes.
Concerning sludge production before jar tests, raw WW sludge volumes were
sedimented using 1L Imhoff cones during 1 hr. In order to determine differences at
different pH values, assessments where pH was adjusted from 3 to 10 were carried
out. After jar tests, sludge volumes were measured (in mL/L) in Imhoff cones. In a next
step, sludge densities, COD and BOD as well as some metals (included in the Mexican
legislation for biosolids) were analyzed.
RESULTS AND DISCUSSION
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
ANEXO 2 Artículo enviado Biopolimeros en Agua Residual Industrial
126
Industrial WW characterization
WW are milky, opaque and odorous. It is obvious that they contain oil and greases
from visual inspection. General characteristics determined for the industrial WW are
those presented at table 1. The ratio BOD/COD is 0.4 which means that about 40% of
the present material could be degraded by biological means. COD is quite high, about
16,700 mg/L. This residue is characterized by high turbidity, the presence of
surfactants (MBAS= 742 mg/L) and oil and greases contents (482 mg/L). Besides, WW
contains some Al and Fe (in concentrations of 29.3 and 4.2 mg/L, respectively).
In accord to Jern (2006), personal care (including shampoo) wastewaters have COD
values around 2,000-3,400 mg/L, BOD of 500-800 mg/L and oil and grease contents of
30-40 mg/L. Regarding the high carbon loads, these WW are more similar to those
reported as soaps industry in the same reference, with COD vales between 13,400 and
18,500 mg/L, BOD of 8,200-12,400 and oil and greases of 4,000-6,300 mg/L.
Zeta Potential (ZP)
Figure 1 shows the ZP for the WW samples at different pH values. Notably, at the raw
WW pH value (5.51) ZP is close to the limit were particle charge could be neutralized
(between +20 and -20). Some authors claim that optimum flocculation occurs at
polyelectrolyte dosages where ZP is close to zero (Bolto and Gregory, 2007). The
change in pH value up to 10 seems to affect very little the ZP of the WW. Finally, for
pH values of 11 and 12, a slightly higher ZP value was found, located in the more
stable zone (less adequate for colloids precipitation).
Effect of pH over sludge production
Sludge volumes produced when the WW were sedimented only by gravitational forces
at different pH values without the addition of natural polymers nor inorganic salts are
shown in Fig. 2. Values of pH 3, 9 and 10 produced a certain amount of sludge, but
with poor sedimentation characteristics i.e. all formed particles remained suspended.
At the raw water pH value (5.6), 400 mL/L were produced. At value of pH= 7, 300 mL/L
and 600 mL/L at more acidic value of pH= 4. Note that accumulated sludge appeared
only 50 minutes after the beginning of the sedimentation process. This means that a
little addition of NaOH or equivalent salt must be done in order to promote
sedimentation.
Sandra L. Carpinteyro U. Tratamiento de aguas residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos generados
ANEXO 2 Artículo enviado Biopolimeros en Agua Residual Industrial
127
The polymer addition, acts in the beginning of the process as a neutralizing agent due
to its capacity of interacting with colloids and reducing the repulsive forces, which
maintain them separated from each other. This mechanism is known as electrostatic
patch (Bolto and Gregory, 2007).
Effect of biopolymers and doses over COD, turbidity and conductivity removals
Table 2 shows the results for the 15 experimental runs for the CF of industrial WW
using the three polymers, three doses and three initial COD loads. Final pH for the
entire set of assessments was on the range or 5.82–7.3 unites. Only when using FeCl3
at a dose of 500 mg/L, a final pH value of 5.54 was obtained. In most of the cases pH
final value was between 6.12 and 7.09. It is important to remember that the initial pH
for the WW was 5.6, so most of the polymers produced and increase in the pH value,
which is good for the quality of the produced water.
The coagulation-flocculation process is not designed for removing salts from water,
though frequently it has been observed a co-precipitation process, which removes
certain amount of salts present in the WW. In this work, the higher percentage of
conductivity (as a measure of dissolved salts) was observed for guar gum (500 mg/L)
for the lower COD load (20.13% removal), followed by the biopolymer LBG at 500
mg/L for higher COD load (15.6%) and 300 mg/L (12.8% removal), respectively. In the
case of adding FeCl3, a maximum conductivity value was found (7.63%) when dose
was 300 mg/L. Torres et al (1997) reported conductivity removals up to10.4% when
using Niad II-4 (a synthetic polymer) and up to 39.3% when using CaCl2 as aid.
In terms of the turbidity removals, best results were observed for guar gum and LBG
(300 mg/L) at the higher COD load WW (67.8%). The second best value was for guar
gum (300 mg/L) for the medium COD load (50.81%). Mucilage produced a quite high
removal (49.56%) when applied at a dose of 150 mg/L for the water with higher COD
load. For the FeCl3, the best value was of 70.5%, when the dose was 500 mg/L.
COD removals as high as 38.6% were observed when mucilage at 500 mg/L was
employed with the lower COD load. The second best value corresponds to LBG at 500
mg/L for the medium COD load (33.79%); followed by mucilage at 500 mg/L with
higher COD load (32.51%). For the assessments with FeCl3, the maximum COD
removal was as high as 47.3% (for a dose of 500 mg/L). Torres et al (1997) reported
COD removals up to 40.6% when using guar gum or BL5086 (a synthetic polymer).
Regarding the amount of produced sludge, the maximum value corresponds to
mucilage at 500 mg/L for the higher COD load WW, with a value of 500 mL/L. As
expected higher values of sludge production (400-500 mL/L) were observed for the
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ANEXO 2 Artículo enviado Biopolimeros en Agua Residual Industrial
128
more concentrated WW, followed for the group of assessment were COD load was
medium (275-400 mL/L) and at the end for the low COD load WW, i.e. 50-150 mg/L.
When using FeCl3, sludge volumes of 350-425 mL/L were achieved for the medium
COD load WW.
Since assessments were carried out using three different COD loads (i.e., 6,000,
10,200 and 13,300 mg/L), COD removal values could be very similar, but the net
amount of COD removed is found at the 10th column of the table 2. Maximum COD
removals (4,333 mg COD/L) were found when using mucilage (with a dose of 500
mg/L) with the higher COD load WW. After that value, the second best value (3,466 mg
COD/L) was found when using LBG (dose of 300 mg/L) with the medium COD load
WW. Finally, the third best result was achieved for LBG (300 mg/L) with the high COD
load WW. It is interesting to note that the maximum COD removal for FeCl3 (4,900 mg
COD/L) was found when using 500 mg/L for the medium COD load WW.
A new perspective can be stated if the total COD removal is divided by the polymer or
salt dose (column 11th, table 2), giving values up to 21.1 mg COD/mg polymer, when
using mucilage (run number 10). Another interesting value is that (11.1 mg COD/mg
polymer) found when using LBG (run 7), and finally the one found (10 mg COD/mg
polymer) when employing guar (run 3). As comparison, the best value calculated for
FeCl3 was of 9.8 mg COD/mg salt (run 16).
In another work briefly described in the introduction, Torres et al (1997) reported
efficiency values of 6.76 and 2.81 mg COD/mg polymer for guar gum and LBG,
respectively.
Sanghi et al (2006b) found that using C. javahikai CJ and its grafted polyacrylamide
CJG were capable alone to decolorize all the dyes treated in various ratios. In
conjunction with a low dose of PAC (alum polychloride), CJ and CJG achieved
removals of more than 70% of the initial color. On the other hand, Diaz et al (1999)
reported that when using Cactus latifaria or Prosopis juliflora natural coagulants, with
artificial wastewaters (prepared with kaolin) with low (30-40 NTU) and high (100-200
NTU) initial turbidities, the final turbidity values were around 5 NTU, corresponding to
the required Standard for Venezuela. Finally, Gupta and Ako (2005) concluded that
application of guar gum in potable water treatment was efficient, since initial turbidities
of 26.5 NTU were reduced up to 1.0 NTU.
CONCLUSIONS
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ANEXO 2 Artículo enviado Biopolimeros en Agua Residual Industrial
129
Biopolymers have the potential to replace the use of inorganic salts plus synthetic
polymers in CF of high loaded industrial WW. When using guar, LBG and Opuntia
indica mucilage, conductivity removals as high as 20.1% were recorded. Regarding the
turbidity removal, values up to 67.8% were found. Finally, COD removals as high as
38.6% were observed, which means the removal of 4,333 mg COD/L. The best value
to be taken into account is probably the COD removed per polymer or salt dose. The
maximum efficiency was found for mucilage, with a figure of 21.1 mg COD/mg
polymer. At the end of the process when using biopolymers, pH was in the range of
5.82 to 7.3 unites, even when the initial WW pH value was 5.6.
The production of sludge was very dependent on the WW organic load. For the high
COD load WW, produced sludge values were in the range of 400-450 mL/L. For the
medium COD load WW, the interval was between 275 and 400 mL/L. Finally, for the
low COD load water, values between 50 and 150 mL/L were found.
More investigation is required in order to determine the best polymer and dose, but this
work has demonstrated the applicability of the biopolymers in the CF process for high-
load complex WW treated. The next stage of this work will be to characterize the
produced sludges (using both FeCl3 and biopolymers) in terms of apparent density,
BOD/COD ratio, and the metals content.
ACKNOWLEDGMENTS
Authors thank the help of Dr. J. Ramon Avendaño (ESIQIE, IPN) for the WW samples
ZP determinations. This work was supported by the ICyT-DF Grant PICSO10-8.
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ANEXO 2 Artículo enviado Biopolimeros en Agua Residual Industrial
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Figure 1. Schematic representation of a guar gum molecule
Figure 2. Representation of mucilage pectin-like molecule in presence of Ca++.
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Figure 3. Zeta potential of Industrial WW at different pH values
Figure 4. Sludge production at different pH values in mL/L
0
100
200
300
400
500
600
700
40 45 50 55 60
Slu
dg
e p
rod
uct
ion
(m
L/L
)
Time (min)
pH 4
pH 5.6 industrial WW
pH 7
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Table 1. Industrial WW initial characteristics
Parameter value Parameter Value
pH 5.51 unities Hardness (CaCO3) 65.72 mg/L
Conductivity 1360S MBAS 741.7 mg/L
Color Pt/Co 27360 unities Oil and greases 482.02 mg/L
Turbidity 3390 UNT Al 29.282 mg/L
COD 16700 mg/L Cr 0.052 mg/L
BOD5 6749 mg/L Fe 4.218 mg/L
TS 2755.5 mg/L Pb 0.402 mg/L
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Table 2. Results for the jar test experiments using biopolymers or FeCl3.
Run Polymer
Dose
(mg/L)
COD
load*
Final
pH
Removal (%) Sludge
production
(mL/L)
COD
removed
(mg/L)
COD
removed/
dose Turbidity Cond. COD
1 Guar 150 Medium 7.04 11.47 9.72 9.09 275 933.33 6.2
2 Guar 300 Medium 6.98 50.81 8.68 5.84 325 600.00 2.0
3 Guar 300 High 7.01 67.82 5.90 22.51 400 3000.00 10.0
4 Guar 500 Low 6.65 25.86 20.13 0 50 0 0
5 LBG 150 Medium 7.08 0 5.90 0 275 0 0
6 LBG 300 Low 7.3 10.34 12.84 19.01 100 1133.33 3.8
7 LBG 300 High 7.09 67.82 4.510 25.01 425 3333.40 11.1
8 LBG 500 Medium 6.03 11.47 15.62 33.79 350 3466.73 6.9
9 Mucilage 150 Low 6.86 27.58 0 0 0 0 0
10 Mucilage 150 High 6.68 49.56 0 23.76 450 3166.70 21.1
11 Mucilage 300 Medium 6.32 16.39 0 0 400 0 0
12 Mucilage 500 Low 6.12 18.96 0 38.59 150 2300.00 4.6
13 Mucilage 500 High 5.82 40.86 0 32.51 500 4333.40 8.66
14 FeCl3 150 Medium 6.87 29.50 5.20 0 350 0 0
15 FeCl3 300 Medium 6.14 60.65 7.63 15.59 400 1600.00 5.3
16 FeCl3 500 Medium 5.54 70.49 4.86 47.76 425 4900.00 9.8
*COD load (mg COD/L): Low= 6,000, Medium= 10,200, High= 13,300. pH initial value=
5.6 unites.