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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

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


6.3.3 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


6.5.3 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.


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


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


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).


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).


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).


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).


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).

http://www.guargum.co.in/


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

http://www.foodproductdesign.com/articles/2009/10/locust-bean-gum-good-as-gold.aspx


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).


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


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).


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


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.


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).


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.


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.


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.



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.



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)



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).



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



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.



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.



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).



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



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).



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).



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



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.


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



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)


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)


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)


Mucilago de nopal

lote 1

lote 2



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



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.



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



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)

.



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



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



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.



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



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



(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



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



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.



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



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



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.,



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




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%,



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).



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).



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



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



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.



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



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.



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



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



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).



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).



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



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



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]



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



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



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).



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.



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



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



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).



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




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



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



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



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.



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



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



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.



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


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.



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%.



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




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




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).



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



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).



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



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).



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



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



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



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



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.


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.


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.


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.


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.


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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



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



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).



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.



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.



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.



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



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.



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.



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



118

Figures

Figure 1. Prosopis laevigata tree and pods.

Figure 2. Opuntia ficus-indica shrub and fruit.

http://www.google.es/imgres?imgurl=http://www.uaq.mx/FCN/naturaleza/fotos/Prosopis laevigata1.jpg&imgrefurl=http://www.uaq.mx/FCN/naturaleza/Anexos.php&usg=__pYXXNRdQxkh8OtUfT-gp1X_Z9tE=&h=458&w=460&sz=66&hl=es&start=22&sig2=xxc_5P5UHJHlwrwX6iZFVw&zoom=1&tbnid=d3zIxpCfOwkVLM:&tbnh=113&tbnw=121&ei=stAYTevhKsPDnAeNt_DiDQ&prev=/images?q=prosopis+laevigata&um=1&hl=es&sa=G&rlz=1T4ACAW_esMX406MX408&biw=1003&bih=377&tbs=isch:1&um=1&itbs=1&iact=hc&vpx=402&vpy=113&dur=3385&hovh=224&hovw=225&tx=117&ty=131&oei=ZtAYTdO_M8Gclge-tYyrDA&esq=3&page=3&ndsp=12&ved=1t:429,r:2,s:22



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



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



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

(%

)


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

)


LBG

GUAR

MESQUITE

MUCILAGE

FeCl3


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

mailto:[email protected]



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



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



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



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.



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



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



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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132

Figure 1. Schematic representation of a guar gum molecule

Figure 2. Representation of mucilage pectin-like molecule in presence of Ca++.



133

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



134

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



135

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.

tesis 44444.pdf

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