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INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGIA

TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:

MAESTRIA EN CIENCIAS EN BIOPROCESOS

PRESENTA: Sandra Lucero Carpinteyro Urbn Biloga

TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EMPLEANDO POLMEROS NATURALES Y BIODEGRADABILIDAD DE LOS LODOS GENERADOS

Dirigida por: Dr. Luis Gilberto Torres Bustillos Dr. Jorge Yez Fernndez

Mxico, D.F. Junio de 2011

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ABSTRACTThere 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.

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RESUMEN

Existen muchos mtodos para tratar agua residual, ya sea de tipo municipal o industrial. Uno de ellos es la coagulacin-floculacin que tiene la finalidad de eliminar las partculas coloidales que otros mtodos no pueden remover. Tradicionalmente, se han utilizado sales de fierro o aluminio y polmeros sintticos, los cuales generan lodos poco biodegradables. Los biopolmeros como gomas de guar, algarrobo, mezquite y el muclago de nopal tienen propiedades coagulantes y floculantes, por lo que pueden usarse en el tratamiento de agua residual municipal e industrial. Estos biopolmeros pueden presentar iguales o mejores eficiencias de remocin de carga orgnica que los productos sintticos, adems que al usarlos se generarn lodos ms biodegradables. El objetivo de este trabajo fue estudiar el tratamiento de agua residual empleando polmeros naturales y determinar la biodegradabilidad de los lodos generados con distintos biopolmeros, en comparacin con los generados al emplear cloruro frrico. Se desarrollaron mtodos para extraccin de muclago de nopal y de la goma de semilla de mezquite. Los biopolmeros fueron caracterizados en cuanto a parmetros reolgicos y contenido de metales. Se emplearon agua residual municipal y agua residual generada de una industria de cosmticos. Estas muestras se caracterizaron en cuanto a parmetros fisicoqumicos, potencial Z y el efecto del pH sobre la sedimentacin. Se realiz un diseo experimental con 3 factores: tipo de biopolmero, dosis de biopolmero 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 analiz el lodo en cuanto a volumen, peso, densidad, relacin DBO/DQO y contenido de metales. Al tratar agua residual municipal los biopolmeros funcionaron mejor con la dosis ms baja (25 mg/L), removiendo entre 44 y 52% de la DQO. Los biopolmeros presentaron un comportamiento similar ya que removieron entre 25 y 20 mg DQO por cada mg de biopolmero. 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 biopolmero. El muclago de nopal funcion mejor con la dosis ms baja (150 mg/L), removiendo el doble de mg DQO por cada mg de biopolmero (21 mg DQO/mg), respecto a las galactomananas. El volumen del lodo producido tuvo una relacin directa con la carga orgnica del agua residual inicial, a mayor carga, ms lodo producido. La densidad del lodo generado de agua residual municipal mostr diferencia significativa para todos los experimentos. Mientras que en los lodos generados con agua residual industrial no hay diferencias significativas. Los biopolmeros tienen el potencial para sustituir el uso de sales inorgnicas y polmeros sintticos en el tratamiento de agua residual municipal y agua residual generada en la produccin de cosmticos por medio de coagulacin y floculacin.

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El desarrollo experimental de este trabajo se llev a cabo en el Laboratorio de Bioprocesos de la Unidad Profesional de Biotecnologa del IPN.

Agradezco al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologa (CONACyT 323542/230751), al Programa Institucional de Formacin de Investigadores de la Comisin de Operacin y Fomento de Actividades Acadmicas bajo el proyecto 20110933 (Caracterizacin y aplicacin de gomas naturales a la resolucin de problemas ambientales) y a la Fundacin Telmex (092034305) por las becas otorgadas para la realizacin de mis estudios de posgrado.

Este trabajo se ha presentado: 1. Con Mencin Honorfica en el 2nd IWA Mexico Young Water Professional Conference 2010 enQuertaro, Mxico del 12 al 14 abril. Por la presentacin oral Coagulation -flocculation of wastewaters employing guar, locust bean and mesquite gums, as well as Opuntia indica mucilage.

2. Participacin oral en el Foro de Biotecnologa UPIBI del 10 al 12 de noviembre 2010 con el trabajoEfecto de carga orgnica, tipo y dosis de biopolmeros en el tratamiento de agua residual municipal y biodegradabilidad de los lodos producidos.

3. Participacin con cartel en el Foro Ambiental UPIBI 10 y 11 de febrero de 2011. Con el trabajoRemocin de carga orgnica y grasas y aceites en el tratamiento de agua residual industrial con biopolmeros.

4. Participacin oral en el IWA Water and Industry 2011 International Conference en ValladolidEspaa 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

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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 Jos Manuel. Sin ustedes no hubiera llegado hasta aqu. A mis hermanas y hermanos (Jos Manuel, Roxana, Victor, Ana y Valeria). Son mi ejemplo. A mi sobrina y sobrinos (Armando, Pamela y Rubn). Trabajar cuesta lograrlo se disfruta. A toda mi familia y amistades por ser parte de mi vida.

No hay saber ms o saber menos, hay saberes diferentes Paulo Freire

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AgradecimientosA donde sea que haya llegado no arrib sola. Por mucho esfuerzo y trabajo. el mrito no es exclusivamente mo Siempre hubo algo o una razn. siempre estuvo alguien Siempre existi un viento debajo de mis alas para ayudarme a volar

Al Dr. Luis G. Torres B. por su apoyo, dedicacin, amistad y compromiso. Porque me abri las puertas y aprend mucho de l. A los Dres. Jorge Yez, Luis Fernndez, Claudia Guerrero, Edgar Salgado y Juan Aranda por sus enseanzas. A mi familia: Vicente, mis hijos, mis padres, mis hermanas y hermanos, cuadas y cuados, 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 estrs o incluso cuando pasaba los das de fiesta trabajando. A todos mis profesores de la maestra en la UPIBI, gracias porque con sus conocimientos comprob mi gusto por la ciencia aunque fue muy duro el trabajo. Al Dr. Juan R. Avendao, Dra. Mabel Vaca, IBT Alfredo Moctezuma, Silvia y Ociel Mendiola por su apoyo para la realizacin de este trabajo de investigacin. Al laboratorio de calidad del agua y residuos de la UAM Azcapotzalco y al Depto. de Qumica de la ESIQUIE- IPN por su apoyo. A los Dres. Juan Aranda y Edgar Salgado por su amistad, confianza y enseanzas. A mis compaeros de laboratorio: Sandra, Pilar, Evelyn, Montse, Alma, Roberto, Julio, Alfredo, Ociel, Karol, Oscar, Marco, Fabio, Josu y los que me falt mencionar por su amistad y porque hicieron ms ameno el trabajo. A mis compaeras y compaeros de