Bioprocesos

1. Biopolímeros en el Tratamiento de
Aguas Residuales
José David Torres González
Curso: Biopolímeros
Departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos
Escuela de Ingeniería
Pontificia Universidad Católica de Chile 1

2. 2
http://www.un.org/es/events/waterday/
Crecimiento poblacional y desarrollo industrial = más contaminación
Problemática actual

3. Objetivos
Analizar algunas de las tecnologías actualmente utilizadas en el tratamiento de las aguas
residuales.
Entender la función de los biopolímeros en el tratamiento de aguas residuales (Coagulación-
Floculación).
Mencionar algunos de los desafíos actuales en el tratamiento de aguas residuales
3

4. 4
Ciclo natural: sustancia disueltas en ríos (ácidos húmicos)
Industrial: Alimentos, Curtiembre, Petróleo, Textiles
(azoicos 500L/kg teñido).
Urbanas: Hogares, Hospitales (Aguas Servidas).
Agrícola y Rurales: Cultivo y Ganadería
Las aguas residuales (AR): son aquellas cuya calidad se ha deteriorado por diferentes usos.
Clasificación
Alta DBO, DQO y Turbidez: fertilizantes, metales, detergentes, medicamentos,
cosméticos, patógenos, excretas, partículas NO degradables.
Agotan el O2 = muerte acuática
Ippolito et al. (2011). J. Environ. Qual. 40(1): 1-12.

5. Tecnologías secundarias en AR
Ventaja: Eliminan todo tipo contaminantes.
Desventaja: Alto costo, cambio de filtros especiales.
Separación física
Wu & Imai (2012). INTECH Open Access Publisher.
5

6. Adsorción
Ventaja: alta superficie específica y porosidad,
eliminación partículas finas.
Desventaja: reutilización es costosa, NO es adecuado
para AR con alta materia orgánica
6
Tecnologías terciarias en AR
Withers et al., (2016). J. Composite Materials, 50(6): 783-793. Kim (2015). J. Colloid Interface Sci. 45(9): 151-159.

7. Ley de Stokes
𝑉𝑐 =
𝑔 (𝜌 𝑠−𝜌)𝑑2
18𝜇
Donde:
𝑉𝑐 = velocidad de sedimentación
𝑔 = aceleración de la gravedad
𝜌𝑠 − 𝜌 = densidad del fluido y la partícula
𝑑 = diámetro de la partícula
𝜇 = viscosidad del fluido
7Kim (2015). J. Colloid Interface Sci. 45(9): 151-159.
Figura 7. Diámetro de partículas y sustancias en aguas residuales

8. Coagulación-Floculación (CF)
Coagulación: desestabilización química de las partículas suspendidas en un liquido. Mediante una sustancia que
neutraliza las fuerzas de repulsión que las mantiene separadas.
Figura 7. Proceso de Coagulación-Floculación
Ventajas
1) Económico
2) Elimina 95% contaminantes y M.O
3) Facilidad en continuo.
Desventaja
1) Genera lodos.
8
Floculación: aglomeración posterior mediante otra sustancia que actúa como pegamento. Movimiento
Pericinética y Ortocinética.
Li et al. (2015). Ind. Eng. Chem. Res. 54 (1), 59-67.

9. Figura 7. Atracción Van der Waals entre las partículas (Lee et al., 2014)
Mecanismos
Neutralización (Metales)
Puente de polimérico (Alto PM)
Atrapamiento (Red de barrido)
“Reestabilización”
Holkar et al. (2016). 182(1): 351-366 9

10. pH
(intervalo + Alcalinidad)
Tipo de AR
Temperatura
(En agua fría el Floc se forma lento)
Velocidad de Mezcla
(No romper los Floc)
Factores
Holkar et al. (2016). J. Environ Management. 182(1): 351-366.
Concentración
(efecto adverso)
Prueba de Jarras
10

11. 11

12. Ventajas
1) Bajas dosis y económicos
2) Rápido y en procesos continuos
3) Remueven impurezas (colorantes <95%)
Coagulante y Floculantes comunes
12Verma et al. (2012) – J. Environ. Man, 93(1): 154–168
Precio: $ 60 CLP / Kg
Sulfato de Aluminio Poli-cloruro de aluminio (PAC)
Desventajas
1) Muy sensibles a cambios pH
2) No biodegradable
3) Lodos no reutilizados (Humos tóxicos)
4) Neurotóxicos metales (Alzheimer).
5) PAC ineficiente en agua fría.
6) Acrilamida soluble en agua (µg) = neurotóxica
http://www.cleanwaterchems.com/product/waste-water-treatment-chemicals/
US $ 500 – 1000/ Ton

13. 13
Coagulante Floculante Tipo AR Color %DQO %Turbidez Autores
Alumbre + Cloruro férrico Poliacrilamida (-)
Rellenos
sanitarios
91% 95% 89%
Lee et al.,
(2014)
PAC Silice activada Mataderos 88% 90% 91%
Sulfato férrico Ecofloc - Comercial Petróleo 93% 91% 95%
Alumbre + PAC Poliacrilamida (-) Planta aceitera 94% 91% 95%
PAC (Profloc 4190) Colorantes 91% 85% 85%
Poliacrilamida (+) -
Planta de
refinería
97% 99% 97%
Acrilato de sal + acrilamida - Curtiembres 99% 98% 99%
Tabla 1. Eficiencia de coagulantes y floculantes inorgánicos y sintéticos
Lee et al., (2014). P. Safety and Environ. Protection, 92(6): 489-508.

14. Coagulantes y Floculantes naturales
Vegetal Animal y Microbianos
Proteínas catiónicas a pH>7
14
Amino (+) a pH < 7
Lee et al., (2014). P. Safety and Environ. Protection, 92(6), 489-508.
Celulosa y Derivados,
Alginato de sodio,
Taninos.
Almidones: papa, yuca,
Maíz
Moringa oleifera,
Tamarindus indica
Quitosano
Goma Xantana
Ventajas
1) No son tóxicos
2) Lodos biodegradables y se pueden reutilizar
como abonos en plantas
3) Se adaptan a todo tipo de AR
4) No son sensibles al pH y funcionan agua fría.
Desventajas
1) Flóculos pierden estabilidad
2) Más costosos que los tradicionales
3) Altas dosis

15. Figura 8. Muestras de agua + arcilla (simulación): (a) PAC (150 mg/L); (B) Control; (C) Quitosano (150 mg/L). (Jar-Test en 2 min).
15
Renault et al. (2009). Eur. Poly. Jour. 45(5), 1337-1348

16. Figuara 9. Síntesis de floculantes basados en almidón: (a) STC-g-
PDMC, (b) STC-CTA, and (c) CMS-g-PDMC.
16
Ventajas
1) Poseen más sitios activos catiónicos en las
cadenas.
2) Eliminan partículas muy finas (antibióticos y
ácidos húmicos).
2) Flóculos mayor tamaño y densidad
4) No dejan residuos en el agua
Desventajas
1) Los métodos de síntesis no están totalmente
desarrollados.
2) La mayoría no están a escala comerciales
Investigaciones - Biopolimeros (Injertos)
Wu et al., (2016). Water Research, 96(1): 126-135

17. Fig 9. Optimización de la remoción de la turbiedad en aguas residuales de la fabricación del papel
18
Investigaciones - Biopolimeros (Injertos)
Wang et al. (2016) Water Research, 45 (17): 633–640
Coagulante = Cloruro de aluminio = 871 mg/L
Floculante = S-g-PAM-g-PDMC [poliacrilamida, y poli (2-metacriloiloxietil) trimetilcloruro de amonio] = 22,5 mg/L
pH = 8,35

18. Fig. 10. Floculación de soluciones acuosas de HA (20 mg/L) a diferentes pHs
(Eficiecia >90%)
Efecto del pH (HA = Fijo)
1) Dosis aumentaron con el aumento de pH
(Cargas catiónicas de los polímeros disminuyeron y las
HA (-) aumentaron y por tanto requirió más floclante)
19Wu et al., (2016). Water Research, 96(1): 126-135
Fig. 11. Floculación de soluciones acusas de HA con diferentes concentraciones a pH 7.0
(Eficiecia >90%)
Efecto de la concentración HA (pH = Fijo)
2) Cuando el HA inicial fue alto, se requirió más dosis de
floculantes para neutralizer las cargas.

19. Scheme 2. Flocculation mechanism of three starch-based flocculants for HA removal. 20
Conclusiones
Mejor floculante = STC-g-PDMC
Peor floculante = STC-CTA

20. 21
Empresas internacionales
http://www.tianshiwater.com/products.html
http://es.made-in-china.com/co_bluwat01/product-
group/polyaluminium-chloride_hyihyhyhg_1.html
http://www.quimagua.cl/
SNF (Francia), el mayor fabricante de polímeros sintéticos y
biopolímeros.
http://www.cleanwaterchems.com/product/waste-water-treatment-chemicals/
http://www.snf-group.com/es/chemistry/flocculants

21.  Es necesario la descontaminación de las fuentes hídricas, para evitar diversas problemáticas en el medio
ambiente y la salud.
 La coagulación-floculación con biopolímeros, representa una alternativa económica y promisoria para el
tratamiento de las AR.
 La combinación de sustancias sintéticas y naturales (injertos) en la coagulación – floculación es una
alternativa para obtener mejor remoción de contaminantes en las AR.
 Más investigación para mejorar sus características de los floculantes naturales y que esto permita el
remplazo de las sustancias tradicionales.
 Se requiere la optimización de los procesos de coagulación-floculación de biopolímeros, especialmente los
injertos, para los cuales su elevado costo de obtención en comparación con los materiales tradicionales ha
limitado su aplicación.
 Que los estudios se hagan encaminados a su aplicación a escala masiva, ya que actualmente las diversas
problemáticas así lo requieren.
Desafíos
Comentarios finales
22

22. ¡…Gracias…!
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