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Introducción al Derecho I

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E
INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

ELIMINACIÓN DE CONTAMINANTES ORGÁNICOS PRESENTES EN
AGUAS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA PAPELERA MEDIANTE LA
COMBINACIÓN DE OZONACIÓN Y BIODEGRADACIÓN

Tesis
Que para obtener el grado de:

MAESTRÍA EN CIENCIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA

Presenta:

Jessica Amacosta Castillo

Directora:

Dra. Tatiana Timoshina Lukianova

México D. F. diciembre de 2012.

CARTA CESIÓN DE DERECHOS

En la Ciudad de México, D.F. el día 23 del mes de noviembre del año 2012, el (la) que
suscribe Jessica Amacosta Castillo alumno(a) del Programa de Maestría en Ciencias en
Ingeniería Química e Industrias Extractivas, con número de registro B101980, adscrito(a)
al 5to semestre, manifiesto(a) que es el (la) autor(a) intelectual del presente trabajo de Tesis
bajo la dirección del (de la, de los) Dra. Tatiana Timoshina Lukianova y cede los derechos
del trabajo titulado ELIMINACIÓN DE CONTAMINANTES ORGÁNICOS PRESENTES
EN AGUAS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA PAPELERA MEDIANTE LA
COMBINACIÓN DE OZONACIÓN Y BIODEGRADACIÓN, al Instituto Politécnico
Nacional para su difusión, con fines académicos y de investigación.

Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, gráficas o datos
del trabajo sin el permiso expreso del (de la) autor(a) y/o director(es) del trabajo. Este
puede ser obtenido escribiendo a las siguientes direcciones jesssycaa@yahoo.com.mx
tpoznyak@ipn.mx Si el permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento
correspondiente y citar la fuente del mismo.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
SECRETARÍA DE INVESTIGACIÓN Y POSGRADO

i
ÍNDICE GENERAL

RESUMEN ......................................................................................................................... iv

ABSTRACT ....................................................................................................................... vi

ÍNDICE DE FIGURAS ....................................................................................................... vii

ÍNDICE DE TABLAS .......................................................................................................... xi

ABREVIATURAS ............................................................................................................. xiii

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. xiv

CAPÍTULO I. GENERALIDADES .................................................................................... 1
I.1. Composición de la madera ............................................................................ 2
I.2. Producción de pulpa y de papel y fuentes de contaminación en el proceso
Kraft .............................................................................................................. 7
I.2.1. Contaminantes orgánicos presentes en aguas residuales de la industria de la
pulpa y el papel ............................................................................................. 9
I.3. Normatividad de residuos tóxicos en el agua residual de la industria de la
pulpa y el papel ........................................................................................... 10
I.4. Tratamiento de aguas residuales de la industria papelera ........................... 11
I.4.1. Ozonación ................................................................................................... 12
I.4.2. Biodegradación ........................................................................................... 14
I.5. Combinación de ozonación y biodegradación. ............................................ 18

CAPÍTULO II. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ...................................................... 20
II.1. Etapa I: Muestra de agua residual inicial ..................................................... 21
II.1.1. Caracterización de la materia orgánica presente en la muestra .................. 22
II.2. Etapa II: Ozonación ..................................................................................... 23

ii
II.3. Etapa III: Bioproceso ................................................................................... 25
II.3.1. Aclimatación y mantenimiento de los consorcios microbianos ..................... 27
II.3.2. Biodegradación ........................................................................................... 29
II.4. Técnicas analíticas empleadas .................................................................... 29
II.4.1. Espectrofotometría UV-VIS ......................................................................... 29
II.4.1.1. Unidades de Color ............................................................................... 29
II.4.1.2. Decremento de la materia orgánica durante la ozonación ................... 30
II.4.1.3. DQO (Demanda química de oxígeno) .................................................. 30
II.4.1.4. El crecimiento microbiano durante el proceso ..................................... 30
II.4.1.5. Decremento de la materia orgánica durante la biodegradación ........... 31
II.4.2. Análisis cromatográficos .............................................................................. 31

CAPÍTULO III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................ 33
III.1. Etapa I: Caracterización de la muestra de agua residual inicial ................... 34
III.2. Etapa II: Ozonación ..................................................................................... 40
III.3. Etapa III: Biodegradación ............................................................................ 49
III.3.1. Aclimatación de microorganismos ............................................................... 49
III.3.2. Bioproceso .................................................................................................. 52
III.3.2.1. Biodegradación de muestras sin pre-tratamiento ................................ 53
III.3.2.2. Combinación de ozonación y biodegradación ..................................... 54

CONCLUSIONES ............................................................................................................ 60

RECOMENDACIONES .................................................................................................... 61

PRESENTACIÓN EN CONGRESOS NACIONALES E INTERNACIONALES ................. 62

ANEXOS .......................................................................................................................... 63
ANEXO A. Etapa I: Caracterización de la muestra de agua residual ............................ 63
ANEXO A1. Caracterización de la muestra de agua original por comparación de
estándares y tiempos de retención por HPLC ............................................. 63

iii
ANEXO A2. Caracterización de la muestra de agua original por identificación e
interpretación con CG-MS ........................................................................... 65
ANEXO A3. Ejemplo 2 de análisis por espectroscopía de masas.......................... 70

ANEXO B. Etapa II: Ozonación .................................................................................... 72
ANEXO B1. Pruebas de dilución de la muestra de agua residual .......................... 72
ANEXO B2. Pruebas de decoloración durante 60 minutos de ozonación de la
muestra ....................................................................................................... 74
ANEXO B3. Curva de calibración y análisis de DQO ............................................. 75
ANEXO B3. Cromatogramas de HPLC para las dinámicas de disminución de los
compuestos orgánicos durante la ozonaciónen un tiempo de 60 minutos .. 77
ANEXO B4. Presencia del ácido oxálico durante y al finalizar la reacción ............. 79

ANEXO C. Etapa III: Biodegradación ........................................................................... 81
ANEXO C1. Comparación del efecto de la ozonación en la biodegradación para la
muestra M30O. ........................................................................................... 81
ANEXO C2. Comparación del efecto de la ozonación en la biodegradación para la
muestra M60O. ........................................................................................... 85

REFERENCIAS ............................................................................................................... 89

iv
RESUMEN

En este trabajo se plantea la propuesta de utilizar un tratamiento combinado de ozonación
y biodegradación para una muestra de agua residual de la industria papelera, proveniente
de la etapa posterior al blanqueo del papel tipo Kraft. Este tipo de aguas presentan
compuestos altamente recalcitrantes y resistentes a la biodegradación (como la lignina y
sus derivados, ácidos resínicos, compuestos organoclorados, ácidos orgánicos de cadena
corta, etc.) es por eso que es necesario el uso de diferentes técnicas de remoción de
estos residuos tóxicos antes de ser descargados a los efluentes de agua naturales tales
como ríos, mares y por filtración lleguen a contaminar los mantos freáticos.

Es muy importante realizar la caracterización e identificación de la muestra (etapa I) para
conocer cuales son los compuestos presentes antes de ambos tratamientos. El objetivo
de la ozonación como pre-tratamiento (etapa II), se llevó a cabo para transformar los
contaminantes en compuestos menos tóxicos (ácidos orgánicos simples) y posteriormente
realizar el acoplamiento al tratamiento biológico (etapa III).

Se llevó a cabo la ozonación de la muestra durante un tiempo máximo de 60 minutos en
un reactor semi-continuo con flujo de O3/O2 de 0.5
l/min y concentración de 30 ppm para
observar la dinámica de degradación de los contaminantes. Se eligieron tres muestras de
estudio (OrDl, M30O y M60O) para ser sometidas al bioproceso con microorganismos
aclimatados para realizar la biodegradación y garantizar la eliminación de estos
compuestos.

Durante la ozonación, se puede observar que la mineralización es proporcional a la
reducción de DQO (79% de la muestra original); pero es inversamente proporcional a la
formación de ácidos orgánicos simples como el ácido oxálico (de 23 ppm de la muestra
inicial hasta 30 minutos corresponden 42 ppm y para 60 minutos 55 ppm de este ácido),
esto es por la interacción que existe entre el ozono y la materia orgánica, que se refleja en
la formación y acumulación de ácidos orgánicos simples.

v
En el proceso de biodegradación, se presenta la eliminación de los compuestos orgánicos
en un tiempo máximo de 3 días para los sistemas con sustrato previamente tratados con
ozono (30 y 60 minutos de ozonación). Mostrando una mejor eficiencia global para la
muestra M30O, ya que el tiempo de ozonación es prácticamente la mitad de M60O, y al
finalizar el bioproceso se eliminan los compuestos orgánicos hasta un 83%.

vi
ABSTRACT

In the present work the degradation of toxic organics in the pulp and paper mill effluent
before the bleaching step from the Kraft process was studied with the combination of
ozonation and biodegradation; just because all these contaminants (the lignin and theirs
derivatives, resinic acids, dioxins and dioxin-like compounds (DLC), organic acids of short
chain, and many others) are recalcitrant and resistant to the conventional bio-treatment.
That’s why it is necessary to use different skills to remove these toxic residues before
being discharged into rivers, seas and therefore seep waters underground.

It is very important to realize the characterization and identification of the sample (1rst
stage) to know which the compounds before both treatments are. The aim of the
ozonación as pre-treatment (2nd stage), was carried out to transform the pollutants in less
toxic compounds (as organic simple acids) and later to realize the combination to the
biological treatment (3rd stage).

The treatment of this wastewater was carried out by ozone during 60 minutes in a semi
batch reactor with flow of O3/O2 de 0.5
l/min and 30 ppm, to observe the dynamics of
degradation of the pollutants. Three samples of study (OrDl, M30O and M60O) to be
submitted to the bioprocess with acclimated microorganisms were chosen, to carry out the
biodegradation and to guarantee the mineralization.

During the ozonation, it is possible to observe that the mineralization is proportional to the
reduction of COD (79% of the original sample); but is inversely proportional to the
formation of simple organic acids, like oxalic acid (23 ppm of the initial sample, for 30
minutes 42 ppm and for 60 minutes 55 ppm), that’s why the interaction between ozone
and organic matter is reflected in the formation and accumulation of simple organic acids.

In the bioprocess, the elimination of the organic compounds comes in a maximum time of
3 days for systems with substrate previously treated with ozone (30 and 60 minutes of
ozonation). Showing a better global efficiency for the sample M30O, because the
ozonation time is practically half of M60O and at the end of the biodegradation the organic
compounds are eliminated until 83%.

vii
ÍNDICE DE FIGURAS

Figura I. 1 Estructura, distribución y composición química de la madera. .................. 2

Figura I. 2 Fragmento de estructura química de la celulosa. ...................................... 3

Figura I. 3 Monosacáridos básicos de las hemicelulosas. .......................................... 3

Figura I. 4 Monómeros básicos de la lignina. ............................................................. 4

Figura I. 5 Estructura química hipotética de la lignina proveniente del proceso Kraft. 4

Figura I. 6 Algunos compuestos extractibles de madera suave.................................. 5

Figura I. 7 Estructuras químicas de los ocho ácidos resínicos más comunes. ........... 6

Figura I. 8 Estructuras químicas de un lignano, un tanino y un jubavión. ................... 6

Figura I. 9 Esquema del proceso Kraft de producción de celulosa. ............................ 7

Figura I. 10 Mecanismo de reacción del ozono en medio acuoso. ............................. 12

Figura I. 11 Curva de crecimiento de los microorganismos. ....................................... 16

Figura II. 1 Esquema general del tratamiento de la muestra de agua residual. ......... 20

Figura II. 2 Diagrama general del desarrollo experimental. ....................................... 21

Figura II. 3 Esquema de análisis y caracterización de la muestra de agua residual. . 22

Figura II. 4 Esquema del proceso de ozonación. ...................................................... 24

Figura II. 5 Diagrama general del proceso de biodegradación. ................................. 27

Figura II. 6 Esquema general del proceso de biodegradación a nivel laboratorio. ..... 27

Figura II. 7 Diagrama del proceso de F&D. ............................................................... 28

Figura III. 1 Esquema general del estudio del proceso combinado de un agua residual
de la industria papelera. .......................................................................... 33

Figura III. 2 Espectro UV-VIS de agua residual proveniente de la industria papelera. 34

Figura III. 3 Fragmentograma global de la materia prima por GC-MS. ....................... 35

viii
Figura III. 4 Ampliación del fragmentograma de la muestra de agua residual original 36

Figura III. 5 Espectro de masas del hexadecanoatode metilo. .................................. 36

Figura III. 6 Mecanismo de fragmentación del ácido hexadecanoato de metilo con un
tiempo de retención de 10.42 minutos. ................................................... 37

Figura III. 7 Variación de la conductividad durante 60 minutos de ozonación. ............ 40

Figura III. 8 Variación de espectros UV-VIS en la ozonación de la muestra inicial. .... 42

Figura III. 9 Dinámica de degradación de compuestos absorbidos a 210nm y 260nm
con ozono durante 60 minutos. ............................................................... 43

Figura III. 10 Análisis de dinámica de degradación durante la ozonación de los
principales compuestos orgánicos identificados por HPLC, columna C-18
a =270nm y fase móvil: 70-30, H2O-C2H3N. .......................................... 44

Figura III. 11 Análisis de dinámica de degradación durante la ozonación de los
principales compuestos orgánicos identificados por HPLC, columna C-18
a =270nm y fase móvil: 30-70, H2O-C2H3N. .......................................... 45

Figura III. 12 Análisis de dinámica de degradación durante la ozonación de los
principales compuestos orgánicos identificados por HPLC, columna C-18
a =210nm y fase móvil: 35-75, H2O-CH3O. ........................................... 46

Figura III. 13 Formación del ácido oxálico durante la ozonación. ................................. 47

Figura III. 14 Variación de DQO con respecto al tiempo............................................... 48

Figura III. 15 Cinética de crecimiento durante la primera aclimatación con los sustratos
elegidos durante 5 días. .......................................................................... 50

Figura III. 16 Cinética de crecimiento durante el quinto ciclo de aclimatación con los
sustratos elegidos durante 5 días. .......................................................... 51

Figura III. 17 Cinética de crecimiento durante el décimo ciclo de aclimatación con los
sustratos elegidos durante 5 días. .......................................................... 52

Figura III. 18 Dinámica de crecimiento de biomasa y descomposición de materia
orgánica de la muestra inicial a un pH=7 obtenida por UV-VIS. .............. 53

Figura III. 19 Dinámica de crecimiento de biomasa y consumo del sustrato para
sistemas con tratamiento combinado (a) M30O y (b) M60O a un pH=7. . 55

Figura III. 20 Dinámica de biodegradación en 3 días de los tres sistemas sin y con pre-
tratamiento con ozono. ........................................................................... 56

ix
Figura III. 21 Dinámica de biodegradación durante 3 días de los tres sistemas sin y con
pre-tratamiento con O3. .......................................................................... 59

Figura A. 1 Cromatograma de HPLC de muestras de agua residual inicial y
estándares con FM: C2H3N_30% - H2O_70% @ 260nm. ........................ 63

Figura A. 2 Cromatograma de HPLC de muestras de agua residual inicial y
estándares con FM: C2H3N_70% - H2O_30% @ 260nm. ........................ 64

Figura A. 3 Cromatograma de HPLC de muestras de agua residual inicial y
estándares CH3OH_50% - H2O_50% @ 210nm. .................................... 64

Figura A. 4 Fragmentogramas de las muestras de agua residual original, extracto,
hidrólisis y clarificación Carrez II (desde T.R. = 1.5 – 2.5). ...................... 65

Figura A. 5 Fragmentograma de las muestras de agua residual original, extracto,
hidrólisis y clarificación Carrez II (desde T.R. = 2.5 – 4.5). ...................... 66

Figura A. 6 Fragmentograma de las muestras de agua residual original, extracto,
hidrólisis y clarificación Carrez II (desde T.R. = 4.5 – 6.5). ...................... 67

Figura A. 7 Fragmentograma de las muestras de agua residual original, extracto,
hidrólisis y clarificación Carrez II (desde T.R. = 6.4 – 10.4) ..................... 68

Figura A. 8 Fragmentograma de las muestras de agua residual original, extracto,
hidrólisis y clarificación Carrez II (desde T.R. = 10.4 – 18.4). .................. 69

Figura A. 9 Espectro de masas del compuesto ácido ftálico, mono-(2-etil hexil) ester
con un tiempo de retención de 16.94 minutos. ........................................ 70

Figura A. 10 Mecanismo de fragmentación del compuesto ácido ftálico, mono-(2-etil
hexil) ester con un tiempo de retención de 16.94 minutos. ..................... 71

Figura B. 1 Descomposición de compuestos orgánicos (a) derivados de la lignina a
260nm y (b) ácidos orgánicos a 210nm, durante 60 minutos de ozonación.
............................................................................................................... 72

Figura B. 2 Ozonogramas de los tres sistemas de diferentes diluciones 1:1, 1:10, 1:20
a pH=8. ................................................................................................... 73

Figura B. 3 Dinámica de decoloración de la muestra durante 60 minutos de ozonación.
............................................................................................................... 74

Figura B. 4 Curva de calibración de DQO a concentración entre 20-900mgO2/l.. ...... 75

Figura B. 5 Dinámica de disminución de DQO con respecto al tiempo para los tres
sistemas de diferentes diluciones 1:1, 1:10, 1:20 a pH=8. ...................... 76

x
Figura B. 6 Cromatogramas de HPLC de la muestra de agua inicial ozonada durante
60 minutos @ 260nm, con fase móvil: .................................................... 77

Figura B. 7 Cromatogramas de HPLC de la muestra de agua inicial ozonada durante
60 minutos; Fase móvil: CH3OH_50% - H2O_50% @ 260nm. ................ 78

Figura B. 8 Cromatogramas de HPLC de la muestra de agua inicial ozonada durante
60 min; Fase móvil: CH3OH_50% - H2O_50%; @ 210nm. ...................... 79

Figura B. 9 Curva de calibración de ácido oxálico @ 210nm con fase móvil de C2H3N
+ Buffer @ pH=2.5. ................................................................................. 80

Figura C. 1 Fragmentograma de las M30O antes y después de la biodegradación
(desde T.R. = 1.5 – 2.5). ......................................................................... 81

Figura C. 2 Fragmentograma de las M30O antes y después de la biodegradación
(desde T.R. = 2.5 – 4.5). ......................................................................... 82

Figura C. 3 Fragmentograma de las M30O antes y después de la biodegradación
(desde T.R. = 4.5 – 8.5). ......................................................................... 83

Figura C. 4 Fragmentograma de las M30O antes y después de la biodegradación
(desde T.R. = 8.5 – 12.5). ....................................................................... 84

Figura C. 5 Fragmentograma de las M60O antes y después de la biodegradación
(desde T.R. = 1.5 – 2.5). ......................................................................... 85

Figura C. 6 Fragmentograma de las M60O antes y después de la biodegradación
(desde T.R. = 2.5 – 4.5). ......................................................................... 86

Figura C. 7 Fragmentograma de las M60O antes y después de la biodegradación
(desde T.R. = 4.5 – 8.5). ......................................................................... 87

Figura C. 8 Fragmentograma de las M60O antes y después de la biodegradación
(desde T.R. = 8.5 – 12.5). ....................................................................... 88

xi
ÍNDICE DE TABLAS

Tabla I. 1 Proporción de agua tratada en el país. ..................................................... 1

Tabla I. 2 Principales usos del agua en la industria de la celulosa y papel. .............. 8

Tabla I. 3 Cargas de los efluentes de blanqueo. ....................................................... 9

Tabla I. 4 Límites máximospermisibles de contaminantes en aguas residuales
provenientes de la industria de la celulosa y papel Kraft. ........................ 10

Tabla I. 5 Ventajas y desventajas del uso de O3 en el tratamiento de aguas. ......... 13

Tabla I. 6 Ventajas y desventajas del uso de la biodegradación. ............................ 17

Tabla II. 1 Condiciones de operación para la esterilización de la muestra. .............. 21

Tabla II. 2 Condiciones para la preparación y caracterización del agua residual. .... 23

Tabla II. 3 Caracterización de muestra de agua residual ......................................... 23

Tabla II. 4 Condiciones de operación para la ozonación. ......................................... 24

Tabla II. 5 Composición de los nutrientes en el medio de cultivo mineral. ............... 25

Tabla II. 6 Identificación de bacterias en los consorcios pre-adaptados. .................. 26

Tabla II. 7 Condiciones de operación por HPLC en etapa II. ................................... 31

Tabla II. 8 Condiciones de operación por HPLC en etapa III. .................................. 32

Tabla II. 9 Condiciones de operación para GC-MS. ................................................. 32

Tabla III. 1 Características de la muestra de agua residual. ..................................... 34

Tabla III. 2 Identificaciónde compuestos por HPLC. ................................................. 35

Tabla III. 3 Compuestos presentes en la muestra de agua residual original
identificados por GC-MS ......................................................................... 38

xii

Tabla III. 4 Porcentaje de disminución de las UC de la muestra. .............................. 41

Tabla III. 5 Grado de disminución de UC, degradación de compuestos orgánicos y
porcentaje de acumulación del ácido oxálico. ......................................... 48

Tabla III. 6 Grado de eliminación de los compuestos orgánicos después de la
biodegradación respecto a la ozonación. ................................................ 57

xiii
ABREVIATURAS

% v/v Porciento volumen
% wt Porcentaje de peso seco
 Longitud de onda
max Longitud de onda máxima
°C/min Cambio de temperatura (grados Celsius) por cada minuto
CA
Consorcio de microorganismos adaptados a ácidos orgánicos (oxálico
y fórmico)
CAF Mezcla de consorcios de microorganismos CA y CF
CF Consorcio de microorganismos adaptados a fenoles
CONAGUA Comisión Nacional del Agua
DBO Demanda biológica de oxígeno
DO Densidad óptica
DQO Demanda química de oxígeno
E0 O3 Potencial de oxidación del ozono
g/l Concentración gramos de soluto en un litro de solución
GC-MS Cromatografía de gases con detector de masas
HPLC Cromatografía de líquidos de alta resolución
INEGI Instituto Nacional de Estadística y Geografía
m/z Relación masa carga
M30O Muestra pre-tratada con ozono durante 30 minutos
M60O Muestra pre-tratada con ozono durante 60 minutos
ml Mililitros
mS/cm Conductividad micro Simens por centímetro
OrDl Muestra de agua residual diluida 1:10
POAs Procesos de oxidación avanzada
ppm Concentración partes por millón
SDT Solidos disueltos totales
SS Solidos sedimentables
SST Solidos suspendidos totales
TOC Carbono orgánico total
TR Tiempo de retención [min]
UC Unidades de color
UV-VIS Espectrofotometría ultravioleta visible

xiv
INTRODUCCIÓN

En México y en el mundo, la industria del papel ha tenido una contribución muy importante
a la humanidad, desde tiempos inmemorables, se ha fabricado celulosa para la
elaboración de papel con materias primas como madera, bambú, palmas, paja de trigo,
avena, bagazo de arroz, bagazo de caña, mezcal, henequén, lino, algodón entre muchas
otras.

La composición química de la madera es bastante compleja, la estructura de la pared
celular se compone principalmente por celulosa (fibra vegetal constituida por cadenas
largas de glucosa -1,4), ligninas (biopolímero tridimensional altamente ramificado con
varios grupos funcionales como ROH, OH, ROMe, RR’C=O, RCOOH, RSO3R’, etc.),
hemicelulosas, resinas, aceites naturales y otros.

La industria de la pulpa y el papel es una de las industrias de mayor costo ecológico ya
que consume una gran cantidad de recursos naturales no renovables. Se utilizan 23
toneladas de madera, 15 ton de agua y 11,200 Kwh de energía eléctrica para la
fabricación de 1 ton de papel; durante este proceso se generan 72.2 toneladas de
efluentes líquidos altamente contaminados, ocasionando con ello la contaminación casi
irreversible de ríos, lagos, mares y suelos.

Por otro lado, datos obtenidos de la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA, 2008)
reportan que en México se consumen alrededor de 83 toneladas de agua por día por
parte de la industria papelera; y la Cámara Nacional de las Industrias de la Celulosa y del
Papel (2011), reporta una producción anual de 4,701.2 miles de toneladas de producto a
nivel nacional.

Gracias a la recopilación bibliográfica, se sabe que durante el proceso de producción de
papel tipo Kraft, se encuentra en los efluentes líquidos altas concentraciones de
contaminantes tóxicos y recalcitrantes, como lignina, ácidos resínicos, compuestos
organoclorados, dioxinas, furanos, entre otros.

Es muy importante que se investigue a fondo, para dar solución, al posible tratamiento de
éstos efluentes contaminados. En el presente trabajo se estudió el tratamiento combinado
de ozonación y biodegradación aplicado a una muestra de agua residual generada en la
industria papelera local después de la etapa del blanqueo químico.

La presentación de este trabajo esta dividida en tres partes:
1. Generalidades y estado de arte;
2. Metodología experimental;
3. Interpretación y discusión de resultados

El procedimiento experimental fue desarrollado en tres etapas generales:
1. Caracterización e identificación de materia prima;
2. Ozonación;
3. Biodegradación

Cada una de estas etapas fue evaluada y controlada empleando diferentes técnicas
analíticas instrumentales, tales como espectrofotometría ultravioleta - visible (UV-VIS),
cromatografía de líquidos de alta resolución (HPLC) y cromatografía de gases con
detector de masas (CG-MS).

Después de caracterizar debidamente la materia prima, se hizo un estudio de la dinámica
de descomposición oxidativa por ozonación, haciendo un análisis de los productos
acumulados a lo largo de la reacción. Posteriormente, se sometió a un tratamiento
microbiano cuya cinética fue también evaluada analíticamente, con el propósito de
optimizar ambos procesos.

Sobre la base de los resultados obtenidos se pudieron plantear las conclusiones y
recomendaciones pertinentes.

Eliminación de contaminantes orgánicos presentes en aguas residuales de la industria
papelera mediante la combinación de ozonación y biodegradación

Jessica Amacosta Castillo

CAPÍTULO I. GENERALIDADES

La industria de la pulpa y papel, es considerada como una de las más grandes
consumidoras de recursos naturales no renovables: agua, combustibles fósiles,
electricidad y madera [1].

Según cifras del Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI, 2005), la industria
de la pulpa y el papel gasta el 12% del total de las aguas de uso industrial ocupando el
segundo lugar de las industrias consumidoras de agua, solo por debajo de la industria
textil[ 2 ]. Por otra parte, datos de CONAGUA (2008), muestran que del total de agua
residual industrial generada en territorio Mexicano, sólo el 16% es tratada debidamente
(Tabla I.1 [3]).

Tabla I. 1 Proporción de agua tratada en el país.

Descargas de Aguas Residuales

año
km3 s
m3
Aguas residuales municipales 7.66 243
Descarga municipal al alcantarillado6.53 207
Agua municipal tratada 2.50 79.3
Aguas residual industrial generada 5.98 189
Agua residual industrial tratada 0.94 29.9

Eliminación de contaminantes orgánicos presentes en aguas residuales de la industria
papelera mediante la combinación de ozonación y biodegradación

Jessica Amacosta Castillo

I.1. Composición de la madera

El papel es una delgada hoja de entramado de fibras vegetales, cargas minerales y
diferentes tipos de aditivos que le dan sus propiedades características. La pulpa de papel
se fabrica con madera (89% de composición) y productos de papel reciclados (11%). Los
principales componentes de la madera son: la celulosa, las hemicelulosas, la lignina y los
productos extraíbles.

La composición de los principales componentes orgánicos en la pared celular de la
madera (Figura I.1a) [ 4 ] puede variar significativamente según las especies, edad,
ecosistema y otros. La distribución de éstos (Figura I.1b), le confiere las propiedades
características de la madera [5].

(a)

(b)

Figura I. 1 Estructura, distribución y composición química de la madera [4,5].
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La celulosa

Es un polisacárido homogéneo lineal de glucosa (Figura. I.2) con enlaces glucosídicos
β[1-4]; se encuentra esencialmente en las membranas primarias y secundarias de la
pared celular; y constituye aproximadamente en 45 a 50% wt de la madera.

Figura I. 2 Fragmento de estructura química de la celulosa.

Las hemicelulosas

Son polisacáridos heterogéneos ramificados formados por diferentes monosacáridos
(Figura I.3) cuyas estructuras y composición son muy diversas dependiendo del origen; y
actúan como matriz soporte para las microfibrillas de celulosa en la pared celular.

Figura I. 3 Monosacáridos básicos de las hemicelulosas.

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La lignina

Representa del 20 al 25% wt de la madera y le confiere resistencia a la tensión. Este
biopolímero actúa como aglutinante de las fibras de celulosa y hemicelulosa, protege a la
planta de las hidrólisis enzimáticas microbianas (patógenos y degradadores). Se forma
por la co-polimerización radicalar de los alcoholes cumarílico, coniferílico y sinapílico
(Figura I.4); y posee grupos funcionales como ROH, OH, ROMe, RR’C=O, RCOOH,
RSO3R’, entre otros
[6,7,8].

Figura I. 4 Monómeros básicos de la lignina.

Aunque sus dimensiones y composición son muy variadas y dependen de la especie
vegetal, edad, ecosistema y otros, el enlace mayoritario que siempre esta presente es un
fenoxieter R-O- [9 ,10] (Figura I. 5).

Figura I. 5 Estructura química hipotética de la lignina proveniente del proceso Kraft [9].
OH
OH
OH
OH
O
CH3
OH
OH
O
CH3
O
CH3
Alcohol p-Cumarílico Alcohol Coniferílico Alcohol Sinafílico
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Los productos extraíbles

Son compuestos orgánicos característicos de especies y variedades, en muchos casos
exclusivos, que están presentes entre el 5 a 20% wt de la madera. En la figura I.6 se
muestran algunos de estos productos como los ácidos grasos(a), fenoles(b), terpenos(c),
esteroides(d), ceras y taninos y ácidos resínicos que son los que le confieren las
propiedades físicoquímicas características a cada planta como color, olor, resistencia,
dureza, protección contra actividad microbiana, etc., y como su nombre lo indica, son
aquellos que pueden ser extraídos usando varios tipos de solventes (lipofílicos e
hidrofílicos, como agua, tolueno, etanol, éter) [11].

Figura I. 6 Algunos compuestos extractibles de madera suave.

Los compuestos extraíbles lipofílicos que se encuentran en las hojas y tallos de las
plantas pueden ser los ácidos resínicos (Figura I.7) y en menor cantidad los hidrolizados
de taninos y ácidos grasos libres [12,13]. Por otra parte, los lignanos (a), taninos (b) y
jubaviones (c) son compuestos extraíbles hidrofílicos que son mezclas de sesquiterpenos
polifenólicos (Figura I.8), se encuentran en las semillas y tallos, y son productos de
defensa de la planta, ya que inhiben el crecimiento y la reproducción de insectos y hongos.

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Figura I. 7 Estructuras químicas de los ocho ácidos resínicos más comunes.

Figura I. 8 Estructuras químicas de un lignano, un tanino y un jubavión.

OH
OHO
O
CH3O
CH3
OH O
O
CH3
CH3O
R
CH3O
OH
OHOH
Ácido Pimárico Ácido Sandaracopimárico Ácido Isopimárico

O
OH
CH3
CH3
CH3
CH3
abieta-8,13-dien-18-oic acid
O
OH
CH3
CH3
CH3
CH3
abieta-7,13-dien-18-oic acid
O
OH
CH3
CH3
CH3
CH3
abieta-8(14),12-dien-18-oic acid
Ácido Abiético Ácido Palústrico Ácido Levopimárico

Ácido Neoabiético Ácido Dehidroabiético

O
OH
CH3
CH3
CH3
CH3
abieta-8(14),13(15)-dien-18-oic acid
O
OH
CH3
CH3
CH3
CH3
abieta-8(14),9(11),12-trien-18-oic acid
O
OH
CH3
CH3
CH3
CH2
(13)-pimara-8(14),15-dien-18-oic acid
O
OH
CH3
CH3
CH3
CH2
(13)-pimara-8(14),15-dien-18-oic acid
O
OH
CH3
CH3
CH2
CH3
pimara-8(14),15-dien-18-oic acid
(a) (b) (c)
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I.2. Producción de pulpa y de papel y fuentes de contaminación en el
proceso Kraft

La producción de la pulpa de papel se realiza con diferentes procesos físicos y químicos
[14]. El proceso Kraft, mostrado en la figura I.9 [15], es el más utilizado (80% alrededor del
mundo), se le conoce como pulpeo al sulfato y permite obtener una pulpa con alta
resistencia y durabilidad.

Figura I. 9 Esquema del proceso Kraft de producción de celulosa.

En este proceso, los trozos de maderas son cocidos en una solución alcalina de sulfatos
(Na2SO4 , K2SO4 y otros), sulfuros (Na2S) y sosa cáustica (NaOH), para separar de la
pulpa de papel los componentes orgánicos extraíbles como la lignina y otros. Estos
compuestos orgánicos son recuperados por arrastre con vapor y concentrados hasta
obtener una sustancia conocida como licor negro que es utilizada como combustible. Por
otra parte, las soluciones alcalinas residuales (licores blancos) son reutilizadas en un
proceso de ciclo cerrado de caustificación. Posteriormente, la pasta de celulosa es tratada
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con soluciones acuosas de sales de cloro (NaClO) para eliminar los restos de color
(proceso de blanqueo), y finalmente es lavada y enjuagada.
Durante la producción de la pulpa de celulosa, se consumen 15 toneladas de agua por
tonelada de pulpa, tanto en el proceso como en servicios auxiliares (Tabla I.2).

Tabla I. 2 Principales usos del agua en la industria de la celulosa y papel.

Usos Función
Agua de Proceso
Transporte, corte, desarbe, dilución,
lubricación, anti-espumación, limpieza
Servicios AuxiliaresRefrigeración/calentamiento
Limpieza/acondicionamiento de máquinas
Generación de vapor

Dada la vital importancia del agua en el proceso, su consumo genera efluentes líquidos
muy contaminados con diversos materiales orgánicos adicionados y de desecho, insumos
inorgánicos y subproductos altamente tóxicos. Entre estos productos se tienen:

a) Materiales orgánicos adicionados y de desecho: almidones, emulsiones de ceras y
partículas o sólidos disueltos y suspendidos de materias primas fibrosas.

b) Insumos inorgánicos: Son las sustancias incorporadas durante el proceso como
hidróxidos, silicatos, carbonatos, fosfatos, blanqueadores y otros.

c) Subproductos tóxicos: resinas solidificadas (cocción), taninos (descortezado),
formación de compuestos orgánicos clorados, dioxinas y furanos (blanqueo).

Por todo lo anterior, la industria de la pulpa y el papel genera alrededor de 72.2 toneladas
por día de efluentes líquidos con una alta carga de compuestos tóxicos orgánicos e
inorgánicos, ocasionando contaminación ambiental severa, que deriva en enfermedades
diversas por su bioacumulación, deterioro de la calidad del aire, agua y suelos;
mutaciones y hasta la destrucción del ecosistema [16, 17, 18, 19].

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I.2.1. Contaminantes orgánicos presentes en aguas residuales de la industria
de la pulpa y el papel

La producción de papel genera una contaminación muy importante al medio ambiente,
tanto por los volúmenes de descarga, como por las propiedades de los contaminantes que
pueden ser altamente recalcitrantes [20, 21]: grandes cantidades de solidos suspendidos
totales (SST), la presencia de residuos químicos utilizados durante las etapas de cocción,
blanqueo y lavado, una elevada coloración de los efluentes (medido por unidades de color
UC), pH inestable, altos valores de DQO (demanda química de oxígeno = 1100ppm) y
DBO (demanda biológica de oxígeno = 300ppm) [22].

Entre los contaminantes orgánicos resultantes de la hidrólisis básica de la madera se
tiene la llamada “lignina Kraft” que son los restos de la lignina hidrolizada durante la
cocción. Otros contaminantes orgánicos importantes son los ácidos resínicos que son
altamente tóxicos para las bacterias empeladas en sistemas de tratamiento aeróbicos, por
lo que resulta ineficiente este tipo de tratamiento, porque se han llegado a encontrar
concentraciones por arriba de 1000ppm en agua [23].

Antes del proceso de blanqueo entre el 5 a 10% del total de la lignina y otros productos
extraíbles no son retirados de la matriz de celulosa lo que confiere una coloración
significativa en la pulpa, la cual se elimina con la adición de cloro gas o sales de cloro,
formando compuestos altamente tóxicos (organoclorados, ácidos orgánicos, dioxinas y
furanos, etc.) para los micro y macro organismos del medio [24, 25], pudiendo llegar a
alcanzar altos valores de DQO entre el 900-2000 l
mg [26]. En la tabla I.3, se muestra la
carga de forma general que se genera en los efluentes de blanqueo con cloro [27].

Tabla I. 3 Cargas de los efluentes de blanqueo.

Carga
Kg
/ Ton de celulosa producida
Solidos Suspendidos Totales 2-5
DBO7 10-15
DQO 30-40
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I.3. Normatividad de residuos tóxicos en el agua residual de la industria de la
pulpa y el papel

Las normas mexicanas [28,29] que rigen las descargas de aguas residuales industriales
provenientes de la industria de la celulosa y papel tienen por objeto regular
cuantitativamente las descargas a los cuerpos receptores, estableciendo los límites
máximos permisibles de contaminantes (Tabla I.4.)

Tabla I. 4 Límites máximos permisibles de contaminantes en aguas
residuales provenientes de la industria de la celulosa y papel Kraft.

Medición Promedio Diario Instantáneo
pH (unidades de pH) 6 – 9 6 – 9
DBO5 [ l
mg ] 200 240
Sólidos Suspendidos Totales (SST) [ l
mg ] 200 240
Sólidos Sedimentables (SS) [ l
mg ] 8 8.2
Grasas y Aceites [ l
mg ] 40 50

Coliformes Totales 1000 1000

Como se puede observar, las normas mexicanas sólo hacen referencia al valor de la
DBO5 suponiendo que toda la materia orgánica contenida en el efluente debería ser
degradada por los microorganismos aerobios con la consecuente producción de CO2. Sin
embargo, tomando en cuenta el origen y la toxicidad de estas sustancias, el control de la
eficiencia de un tratamiento debería realizarse con otros parámetros mucho más
representativos como la DQO y otros parámetros físico-químicos y microbiológicos cuali-
cuantitativos.

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I.4. Tratamiento de aguas residuales de la industria papelera

Las tecnologías empleadas para el tratamiento de aguas residuales de la industria de la
pulpa y del papel son muy diversas. Normalmente incluyen operaciones físicas, químicas
y biológicas que permitan eliminar el color, olor y la toxicidad potencial. Estos tratamientos
son controlados esencialmente por medio de la DBO,DQO y el TOC (carbono orgánico
total) [30, 31, 32, 33].

Tratamiento primario o mecánico:
Para la eliminación de los residuos sólidos suspendidos se emplean
secuencialmente operaciones de cribado y homogeneización; mientras que la
sedimentación, el desgrasado y la eliminación del color se efectúan por
tratamientos químicos.

Tratamiento secundario:
La eliminación de los contaminantes orgánicos solubles biodegradables se realiza
por medio de filtros percoladores, discos biológicos, lodos activados, reactores
anaeróbicos, lagunas aeróbicas o facultativas y en muchos casos, con bacterias,
hongos y protozoarios específicos para las aguas residuales de la industria del
papel.

Tratamiento terciario:
Cuando la carga microbiana residual del segundo tratamiento es muy elevada, se
usan diversos procesos fisicoquímicos, tales como osmosis inversa, electrodiálisis,
remoción de nitrógeno, ozonación, procesos de oxidación avanzada, entre otros.
De esta manera se incrementa la calidad de los efluentes finales.

Tomando en cuenta que los efluentes generados durante la etapa de blanqueo contienen
sólidos en suspensión, sedimentables y disueltos, el tratamiento primario es realizado
empleando diferentes tipos de filtros. Los tratamientos secundarios y terciarios son
realizados con los tratamientos convencionales, pero la descontaminación orgánica
soluble no es muy eficiente ya que dejan valores de DBO y DQO elevados [34, 35]. Por
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todos estos antecedentes se propone un tratamiento combinado de ozonación y
biodegradación, como alternativa a los tratamientos secundario y terciario de las aguas
residuales de la industria papelera.

I.4.1. Ozonación

El ozono (O3) es la forma alotrópica del oxígeno (O2), cuya molécula triatómica es
fuertemente oxidante (E0= 2.07 volts) [36]. En solución acuosa, el ozono reacciona con la
materia orgánica por dos diferentes rutas, la directa e indirecta, y estas son afectadas por
varios factores específicos para que se lleve a cabo de forma directa o indirecta (Figura
I.10):
Reacción directa: se lleva a cabo en medio ácido, en presencia de iones
carbonatos y alcoholesalifáticos [37].
Reacción indirecta: ataque por la descomposición del ozono en radicales
hidroxilo o por la aplicación de los procesos de oxidación avanzada (POAs):
peróxido de hidrogeno, uso de catalizadores, radiación UV, Fenton o foto-Fenton,
combinación entre ellos, etc. [38, 39, 40].

Figura I. 10 Mecanismo de reacción del ozono en medio acuoso.

La ozonación es utilizada en diversas áreas como un proceso de oxidación química, tanto
para la potabilización de agua como para el tratamiento de efluentes líquidos (municipales
e industriales) contaminados con materia orgánica como pesticidas, colorantes, polímeros,
productos extraíbles, compuestos orgánicos halogenados, ácidos resínicos, entre otros [41,
Componente Orgánico = S
i. La reacción directa y selectiva con ozono molecular
ii. La reacción indirecta con la generación de radicales hidroxilo (
•
OH)
(rápida y no selectiva) por la descomposición del O3.

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42, 43, 44]. El objetivo de la ozonación es reducir la coloración y disminuir la toxicidad de los
efluentes, al formar diferentes productos con una menor toxicidad y peso molecular como
son los ácidos mucónico, fumárico, maléico y oxálico [45]; para finalmente ser adsorbidos
sobre carbón activado o bien sometidos a procesos biológicos [46, 47] y evitar la excesiva
formación de microorganismos y lodos como subproductos [48]. Las principales ventajas y
desventajas del uso del ozono en el tratamiento de aguas residuales, se enumeran en la
tabla I.5 [49].

Tabla I. 5 Ventajas y desventajas del uso de O3 en el tratamiento de aguas.

Ventajas Desventajas
Es uno de los agentes oxidantes y
desinfectantes más fuertes disponibles.
Es inestable, posee baja solubilidad y el tiempo de
vida media en agua (a pH 7) es de 20-160 min.
No se producen residuos solidos en su
descomposición, el O2 es el único
producto de su degradación.
El costo de producción por kg de O3 es más alto que el
de otros oxidantes o desinfectantes.
Es usado en POAs para la generación de
especies más oxidantes.
Por su alto poder oxidante, el material y los equipos
deben ser resistentes al ozono.
Es capaz de disminuir los costos globales
de los procesos si se utiliza en las
primeras etapas del proceso y en
combinación con otras técnicas
Los aniones carbonato y bicarbonato, abundantes en
muchas aguas residuales, son agentes neutralizantes
de radicales que reaccionan con los radicales
hidroxilos del medio y forman carbonato o bicarbonato.

El efecto que tiene el ozono sobre los diferentes compuestos orgánicos presentes en
efluentes provenientes de la industria del papel ha sido estudiado por diversos autores,
por ejemplo, Herath y cols. [50], ozonaron durante 240 minutos a pH 3 y 10 una muestra de
agua residual del proceso Kraft, y obtuvieron una decoloración significativa y una
disminución del 70 y 52% respectivamente de los compuestos fenólicos al finalizar el
tratamiento.

Por otro lado, se sabe que la combinación de ciertos tratamientos como coagulación
química (Fe y H2SO4) y ozonación (durante 60minutos) permite reducir de forma
significativa la coloración (98%) y la DQO (81.5%) a pH 8 [51].
La ozonación también es usada como post-tratamiento, es por eso que Kreetachat y cols.
[ 52 ] decidieron aplicar la ozonación (durante 120 minutos) en un agua residual de la
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papelera mediante la combinación de ozonación y biodegradación

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industria papelera posterior a tratamientos secundarios convencionales. Se observó que
disminuyo la coloración en un 90% y se incrementó la biodegradabilidad en un 25%.

De manera más específica, Laari y cols. [ 53 , 54 ], estudiaron la degradación de ácidos
resínicos de muestras de agua residual (antes y después del blanqueo) durante 60
minutos de ozonación. Obtuvieron una disminución aproximada del 90% de la
concentración total inicial, con una reducción del DQO de 30%; observando que la
estructura juega un papel muy importante, ya que los ácidos resínicos del tipo abietano
son más susceptibles al ataque con ozono por poseer enlaces conjugados (mayor
reactividad con ozono), los cuales son oxidados más fácilmente que los del tipo pimarano.

I.4.2. Biodegradación

Los tratamientos biológicos consisten en la eliminación de materia orgánica biodegradable
(por medio de microorganismos, bacterias y hongos) para la depuración de las aguas
residuales. Los contaminantes presentes en el agua, constituyen el sustrato o alimento del
consorcio de microorganismos, almacenados en reactores biológicos.

La biodegradación es el resultado de diferentes procesos como digestión, asimilación y
metabolización de un compuesto orgánico por medio de consorcios de microorganismos
para eliminar la concentración de contaminantes orgánicos en una muestra. Sin embargo,
muchos compuestos orgánicos de origen natural como la celulosa, lignina, etc., son
difícilmente degradados por microorganismos debido a sus características fisicoquímicas
[ 55 ]. La descomposición de estos compuestos orgánicos, puede llevarse a cabo en
presencia de oxigeno (aeróbica) o en su ausencia (anaeróbica) [56, 57].

Los sistemas aerobios presentan oxidación completa, liberan grandes cantidades de
energía y requieren la presencia de O2 molecular. Generan fangos por el crecimiento
exponencial de las bacterias (aplicadas por medio de: lodos activado, biomasa soportada,
lechos bacterianos o filtros biológicos), para tratar de llegar a la mineralización de los
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contaminantes, transformándolos en CO2, CH4, N2 y H2O; siempre y cuando los
microorganismos no sean inhibidos por la concentración o toxicidad del sustrato. Estos
tratamientos son ampliamente utilizados sobre aguas residuales, cuentan con un buen
rendimiento, bajos costos de mantenimiento, pero requieren de largos periodos de tiempo
de tratamiento (de meses a años).

Los sistemas anaerobios presentan oxidaciones incompletas y liberan menor energía, se
emplean poblaciones heterogéneas de microorganismos (anaerobios estrictos que se
inhiben en presencia de O2 disuelto en el medio y anaerobios facultativos que son activos
en presencia y ausencia de O2) para formar compuestos gaseosos o biogás en tres
etapas: fermentativa (hidrólisis), acetogénica (producción de H2, H2SO4, NH3) y
metanogénica (producción de CH4, CO2).

Para cualquier tipo de bioproceso, es importante la aclimatación previa de los
microorganismos (adaptación fisiológica de un organismo al medio ambiente) a la materia
orgánica a tratar, ya que se ha demostrado que es un factor de vital importancia para
disminuir los problemas de inhibición por toxicidad del sustrato. Por otro lado, el uso de
microorganismos inmovilizados en diferentes configuraciones de reactores con diferentes
tipos de soportes microbianos, para aumentar el tiempo de residencia y contacto entre el
efluente contaminado y los microorganismos, es un factor que mejora los resultados
obtenidos en un bioproceso.

El crecimiento microbiano depende de factores físicos y químicos: temperatura, pH,
presión osmótica, medio de cultivo y concentración del sustrato orgánico. En un cultivo en
lotes, se presentan cuatro fases de crecimiento [ 58 ], representadas en una curva
semilogarítmica (Figura I.11):

a) Fase de adaptación: dura pocas horas, ya que la célula se adapta al medio en
elque se encuentra. Puede haber muerte de algunos microorganismos.

b) Fase exponencial: en la que las células tienen gran actividad fisiológica, se
lleva a cabo una multiplicación exponencial de los microorganismos.
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c) Fase estacionaria: consiste en el equilibrio entre la multiplicación y muerte de
los microorganismos, dada por la competencia del alimento o sustrato.
d) Fase de declive: causada por la muerte exponencial de los microorganismos,
por falta de nutrientes y el aumento/acumulación de sustancias de desecho.

Estas fases representan el modelo de crecimiento básico por lotes, en donde la medición
se lleva a cabo por métodos directos como recuento celular, microscopía, citometría de
flujo, entre otros; y por métodos indirectos y en bloque como número más probable,
turbidez, absorción de nutrientes y densidad óptica (DO); para determinar en que estado
se encuentran los consorcios de microorganismos a tratar.

Figura I. 11 Curva de crecimiento de los microorganismos.

En la naturaleza se llevan a cabo reacciones de degradación de los microorganismos por
reacciones enzimáticas. Por ejemplo, los hongos conocidos como hongos lignolíticos
segregan enzimas de lacasa y peroxidasa, las cuales oxidan a los monómeros básicos de
la lignina (monolignoles) en radicales fenólicos (que son compuestos muy recalcitrantes)
fácilmente degradados por ellos, ya que han desarrollado un sistema muy efectivo para el
ataque de los anillos aromáticos de forma extracelular para posteriormente transformarlos
dentro de la célula [59, 60].
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papelera mediante la combinación de ozonación y biodegradación

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Se sabe que al transformar y combinar los tratamientos aeróbicos y anaeróbicos, se
presentan mejores resultados. Por ejemplo, para una muestra de licor negro, al pasarla de
un proceso anaerobio a uno aerobio con un reactor de lecho fluidizado (empacado con
cama de hongos lignolíticos), se disminuye el tiempo de proceso a 60 días con una
decoloración de 69% y disminución de DQO de 30% [61]. Por otro lado, al combinar un
proceso anaerobio seguido de uno aerobio para una muestra de características
semejantes, se obtiene una decoloración del 80% y una disminución muy significativa de
DQO (93%) en un tiempo record de 15 días [62].

En la industria textil y papelera, se han empleado mezclas de microorganismos: bacterias,
hongos y algas (pseudomonas mendocina, pseudomonas alcaligenes, curvularia
inaequalis, phanerochaete chrysosporium, pleurotus sajor caju, pleurotus ostreatus, entre
mucha otras) para eliminar este tipo de materia orgánica [63, 64]. Diversos autores han
estudiado el comportamiento de estos microorganismos, como Stoilova y col. [65], que
trabajaron con la biodegradación del fenol, catecol, 2,4-diclorofenol y el 2,6-dimetoxifenol
con la cepa fúngica aspergillus awamori, el cual fue capaz de mineralizar los compuestos
individuales a una concentración de 1g/l, en 3, 5, 7 y 8 días, respectivamente.

En estos procesos, es esencial el conocimiento del origen y de las toxinas presentes en la
muestra, así como de los posibles inhibidores de los microorganismos antes de aplicar
cualquier tipo de bioproceso. Algunas de las ventajas y desventajas de la biodegradación
aplicada en el tratamiento de aguas residuales se enlistan en la tabla I.6.

Tabla I. 6 Ventajas y desventajas del uso de la biodegradación.

Ventajas Desventajas
Son más económicos
Inhibición por altas concentraciones de
contaminantes y/o acumulación de metabolitos
tóxicos para los microorganismos.
Es posible llegar a la mineralización
total de los contaminantes (hasta
CO2 y H2O).
Se requieren tiempos considerablemente mayores
(meses) a los requeridos por otro tipo de
tratamientos, como los químicos.
Generan pocos subproductos
Se genera un exceso de lodos por la muerte
microbiana.

Se ha presentado como una desventaja la gran producción de lodos durante este tipo de
tratamientos biológicos. Se sabe que en la industria papelera se generan 6.9 toneladas
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diarias de lodos o fangos [66], los cuales se confinan de diferentes formas: en la quema
como biocombustible, absorbentes dentro del mismo proceso, aditivo para la industria de
la construcción y como composta [67].

En la actualidad, existen diversas aplicaciones combinadas entre sistemas químicos y
biológicos de tratamiento para aguas residuales de la industria papelera, ya que el
objetivo principal de la oxidación química es remover y/o transformar los compuestos
tóxicos (RX, RNO2, RCOOH, RSO3R’, ROR’, RR’C=O, RCOOH, OH, PAHs) en
sustancias biodegradables, que posteriormente son más fácilmente eliminadas por los
microorganismos. A su vez, esto incrementa la eficiencia de eliminación, que reduce el
tiempo del proceso, mantenimiento y los costos de operación [68].

I.5. Combinación de ozonación y biodegradación.

Se han llevado a cabo diversas combinaciones de ambos tratamientos, una de ellas es la
aplicación de bioproceso y posterior a éste la ozonación de la muestra. Nay y cols. [69],
aplicaron un esquema de tratamiento biológico, seguida por la ozonación a un efluente de
la industria papelera; esta fue alimentada a un reactor de lodos activados (disminución 80%
del DQO inicial) y se ozonó durante 2 horas, teniendo una eficiencia de remoción del 90%
de DQO. Devendra y cols., [70] realizaron un estudio sobre el comportamiento de tres
muestras modelo (ácido gálico, tianina y lignina), usando (a) ozonación convencional, (b)
biodegradación aerobia y (c) biodegradación y ozonación; y los resultados obtenidos de
disminución de DQO obtenidos fueron 80%, 30% y 90% respectivamente, lo que indica
que es muy importante realizar procesos combinados pero como pretratamiento una
oxidación química.

Contreras y col. [71], estudiaron el sistema de ozonación y biodegradación aerobia para la
degradación del 2,4-Diclorofenol en agua modelo; aumentando con el pretratamiento con
ozono de un 0 a 0.25 del factor de biodegradabilidad, para lograr un 70% de remoción del
TOC en un tiempo de 48 horas. Siguiendo esta misma metodología, Bijan y col., [72]
evaluaron la eficacia total de un tratamiento de dos pasos, primero ozonación durante 120
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minutos y finalmente bioproceso aerobio durante 3 días, para el aumento de la
biodegradabilidad de la materia orgánica recalcitrante de un efluente de la industria
papelera con proceso Kraft. Ellos demostraron que hubo una mineralización del 50% más
en combinación de los procesos individuales (ozonación-30% y bioproceso-20%) ya que
notaron una disminución significativa del peso molecular de la materia orgánica (MO).

El esquema conjunto de la oxidación química seguida de biodegradación, ha demostrado
ser efectiva para la eliminación de contaminantes en agua, ya que los compuestos tóxicos
pueden ser convertidos en especies más fáciles de degradar por métodos biológicos [73, 74]

En base al análisis crítico de los estudios realizados previamente, en el presente trabajo
se desarrolló como principal objetivo, un esquema de tratamiento de los contaminantes
orgánicos presentes en un agua residual provenientede la industria papelera, por la
combinación de ozonación y biodegradación, hasta niveles que puedan permitir su
recirculación en el proceso o bien, que no causen daño al medio ambiente si se decide
desechar estos efluentes. Se analizaron de forma detallada los componentes orgánicos
presentes en la muestra de agua residual, los productos obtenidos durante la ozonación y
finalmente los resultantes del bioproceso. Para acoplar ambos tratamientos, se analizaron
y eligieron las mejores condiciones de operación dentro del proceso de ozonación y se
estudiaron los efectos del tratamiento biológico (con el consumo de sustratos y
crecimiento de la biomasa).

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papelera mediante la combinación de ozonación y biodegradación

Jessica Amacosta Castillo

CAPÍTULO II. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

El procedimiento experimental de este trabajo se dividió en tres etapas generales: (1) el
muestreo, (2) la ozonación y (3) la biodegradación. De forma general se muestra el
tratamiento que se le hizo a la muestra de agua residual en la figura II.1.

Figura II. 1 Esquema general del tratamiento de la muestra de agua residual.

Para cada uno de las etapas del tratamiento de la muestra de agua residual se emplearon
diversas técnicas de análisis e identificación de la composición tanto de la materia prima
como de los productos de cada etapa. Por medio de espectroscopia UV-VIS y
cromatografía de líquidos y gases se estudió la dinámica de descomposición de los
intermediarios y productos de ozonación. En la figura II.2 se presenta de manera
esquemática el camino general a seguir a lo largo de la metodología experimental.
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Figura II. 2 Diagrama general del desarrollo experimental.

II.1. Etapa I: Muestra de agua residual inicial

El agua residual estudiada fue obtenida de la industria papelera de Grupo Scribe planta
Morelia, después de la etapa de blanqueo del proceso Kraft. Esta muestra fue
previamente filtrada y esterilizada (tabla II.1) en un autoclave para eliminar e inhibir toda
degradación microbiana que pudiera generarse en la muestra, asegurando así que la
concentración del sustrato se mantenga constante.

Tabla II. 1 Condiciones de operación para la esterilización de la muestra.

Presión 15 lbf/in
2

Temperatura 120 °C
Tiempo esterilización 20 minutos

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II.1.1. Caracterización de la materia orgánica presente en la muestra

Es de vital importancia conocer la composición inicial de la materia orgánica presente en
el agua residual antes de realizar el tratamiento combinado por ozonación y
biodegradación.
Para el análisis e identificación se utilizó la cromatografía de gases con detector de masas
(GC-MS) empleando 4 técnicas de preparación de la muestra (Figura II.3, Tabla II.2):
I.- Materia prima, metilación (para esterificar los componentes ácidos, cambiando
la polaridad de los compuestos orgánicos y así obtener especies más volátiles y
evitar el deterioro de la columna cromatográfica);
II.- Extracción con CHCl3 (extracción de compuestos polares) y metilación;
III.- Hidrolisis ácida con HCl (separación de ácidos grasos), filtración y metilación;
IV.- Clarificación Carrez II con Pb(CH3COO)2 (para la separación de proteínas y
rompimiento de emulsiones), filtración y metilación.

Figura II. 3 Esquema de análisis y caracterización de la muestra de agua residual.
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Tabla II. 2 Condiciones para la preparación y caracterización del agua residual.

Preparación de 50 mL de muestra de agua residual
CHCl3 HCl Solución Carrez II

Tratamiento
Extracción con
60 mL
Adición de HCl hasta
2.0 N
Adición de
Pb(CH3COO)2 hasta
0.5 N

Agitación - 300 rpm 300 rpm

Temperatura 20 °C 85°C (2 hrs reflujo) 20 °C

Metilación
Volumen de muestras 20 mL, F3B 2.5 mL, CH3OH 5mL,
digestión 60 minutos, extracción C6H12 15mL

Se midió el pH y se determinaron los sólidos disueltos totales (SDT, total de residuos
sólidos filtrables, tanto sales como residuos orgánicos) [75] para la caracterización global
de la muestra (Tabla II.3).

Tabla II. 3 Caracterización de muestra de agua residual

pH Solidos Disueltos Totales (SDT)
Potenciométrico @ T=20°C …de acuerdo a la NMX-AA-034-SCFI-2001

II.2. Etapa II: Ozonación

El ozono es producido a partir de oxigeno extra seco con 99.5% de pureza (i) con un
generador del tipo descarga de corona (ii) AZCO Industries Limited, Modelo HTU500G. Y
este a su vez, está conectado por la parte inferior, a un reactor de vidrio semi-continuo (iii)
provisto de un difusor de gas y que contiene la muestra. El consumo de ozono fue medido
con un detector UV a max 254 nm (iv) Ozone Monitor BMT930-BMT Messtechnik GMBH;
y finalmente los datos son procesados con un programa hecho en MATLAB (v),
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mostrando los ozonogramas que indican la concentración y/ó consumo de ozono a la
salida del reactor, en función del tiempo.

Figura II. 4 Esquema del proceso de ozonación.

La ozonación convencional fue hecha en muestras previamente filtradas, esterilizadas y
diluidas (1:10 para evitar espumación). Las condiciones de operación (Tabla II.3) fueron
elegidas en base a estudios previos sobre muestras con características semejantes [51].

Tabla II. 4 Condiciones de operación para la ozonación.

Volumen muestra 100 mL
pH 8.0
Flujo O3 0.5 L/min
Concentración O3/O2 30 ppm

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II.3. Etapa III: Bioproceso

Los microorganismos utilizados en este trabajo provienen de una planta de tratamiento de
aguas residuales industriales, los cuales fueron pre-adaptados a dos grupos de
compuestos orgánicos: ácidos orgánicos (CA: fórmico y oxálico) y fenoles (CF), en los
laboratorios de Biotecnología Ambiental de UPIBI-IPN (Unidad Profesional
Interdisciplinaria de Biotecnología del Instituto Politécnico Nacional). Para favorecer su
crecimiento y desarrollo, se requiere de un medio de cultivo salino mineral adecuado
(Tabla II.5) a pH = 7±0.5.

Tabla II. 5 Composición de los nutrientes en el medio de cultivo mineral.

Nutriente Concentración (
g
/l )
(NH4)2SO4 3.0
KH2PO4 0.6
K2HPO4 2.4
MgSO4
.
7H20 1.5
CaSO4
.
2H20 0.15
FeSO4
.
7H20 0.03

Estos consorcios microbianos fueron previamente preparados, tratados y caracterizados
por la técnica de identificación de ADN [ 76 ] (Tabla II.6), encontrando que los
microorganismos predominantes para estos dos grupos CA y CF, son las bacterias
xanthomomnas sp, rhodopseudomonas sp y ancylobacter sp. De forma general, estos
grupos de microorganismos pueden degradar cloro hexanos [ 77 ], 2-cloroetanol y 2-
cloroetilvinil éter [78], 3-clorobenzoato [79], etc.

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Tabla II. 6 Identificación de bacterias en los consorcios pre-adaptados [76].

Bandas
Consorcio 1.
Adaptados a
ácidos
orgánicos
CA
Consorcio
2.
Adaptados
a
compuestos
fenólicos
CF
A
Rhodopseudomonas
sp -
B1 Xanthomonas sp Xanthomonas sp
B2 Xanthomonas sp Xanthomonas sp
C1 Ancylobacter sp Ancylobacter sp
C2 Ancylobacter sp Ancylobacter sp
D
Bacterias no
identificadas -

El tratamiento de aclimatación, mantenimiento y biodegradación, fue realizado en
matraces de 250 ml con muestras de 100 ml. Se trataron tres muestras: la original diluida
con agua destilada en relación 1:10 (OrDl) y dos pre-tratadas con ozono (M30O y M60O)
(Figura II.5 y Figura II.6).
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Figura II. 5 Diagrama general del proceso de biodegradación.

Figura II. 6 Esquema general del proceso de biodegradación a nivel laboratorio.

II.3.1. Aclimatación y mantenimiento de los consorcios microbianos

Tomando en cuenta que la materia prima tiene una composición orgánica tóxica muy
heterogénea, la inoculación de los microorganismos se realizó preparando un consorcio
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microbiano mixto CFA (CA:CF relación 1:1 en un 10% v/v), para un sistema de 100 ml se
tomaron 90 ml de la OrDl, 10 ml del consorcio CFA y las cantidades recomendadas de
sales minerales (Tabla II.4). Para los sistemas M30O y M60O, se tomaron las mismas
condiciones (90 ml de muestra y nutrientes minerales) pero únicamente con 10 ml del CA.

Durante el biotratamiento, no se proporcionó ningún sustrato adicional, esto se realizó
para inducir estrés en los microorganismos al tener únicamente disponible en el medio las
nuevas fuentes de carbono seleccionadas y así ellos mismos fueran capaces de
metabolizarlo y comenzar la biodegradación. Los tres lotes de microorganismos se
conservaron suspendidos a temperatura ambiente en una solución de los nutrientes
minerales, el sustrato orgánico (OrDl, M30O y M60O), suministro de aire y agitación
permanente durante 5 días como tiempo máximo. Posteriormente se aumentó la
concentración del sustrato orgánico (mL de muestra a tratar) por ciclos de consumo, hasta
llegar al sustrato orgánico original. A este proceso se le conoce como el método fill-and-
draw (F&D), el cual es utilizado para mejorar la eficiencia de aclimatación [80] (Figura II.7).

Figura II. 7 Diagrama del proceso de F&D.

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Para la reconstitución de los consorcios se procedió al enriquecimiento microbiano con
sustrato original (1:1) y nutrientes minerales hasta alcanzar la concentración inicial de
microorganismos activos.

II.3.2. Biodegradación

Después de la aclimatación de los microorganismos se procede a comenzar el proceso de
la biodegradación. La dinámica de degradación de los sustratos (muestras OrDl, M30O y
M60O) fue estudiada tomando muestras a intervalos de 12 horas hasta que la
concentración residual de contaminantes se mantenga constante.

II.4. Técnicas analíticas empleadas

Cada una de las etapas descritas previamente fue evaluada, controlada y analizada por
medio de diferentes técnicas analíticas instrumentales con el fin de caracterizar, identificar,
cuantificar y seguir la dinámica de descomposición de los analitos.

II.4.1. Espectrofotometría UV-VIS

Para hacer el seguimiento del proceso global de tratamiento se tomaron muestras que
fueron analizadas por UV-VIS en un equipo Perkin Elmer modelo Lambda 25. Se
realizaron diversos análisis para seguir:
 Disminución de las unidades de color,
 Cinética de la ozonación,
 El crecimiento microbiano durante el proceso,
 Cinética de la biodegradación.

II.4.1.1. Unidades de Color

En primer lugar se sacó el espectro VIS de la muestra inicial y de las muestras de estudio
durante la ozonación (3, 5, 10, 20, 30, 40, 50 y 60 minutos) midiendo la absorbancia en
función de la longitud de onda, para determinar la max experimental. La disminución de
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las unidades de color (UC) se midió por el método de Pt-Co [81, 82] a una max = 465 nm
(Anexo B2).

II.4.1.2. Decremento de la materia orgánica durante la ozonación

Para evaluar la dinámica de degradación durante la ozonación, se hizo el barrido
completo UV-VIS (200 – 700 nm), primeramente de la muestra inicial y luego de las
muestras de estudio a diferentes tiempos de tratamiento con ozono (3, 5, 10, 20, 30, 40,
50 y 60 minutos). Tomando en cuenta los max de los derivados de la lignina (260 nm) y de
los ácidos orgánicos (210 nm); se observó la variación de la intensidad de absorbancia a
estas dos longitudes de onda durante el proceso, ya que la intensidad de absorción es
directamente proporcional a la cantidad de especies absorbentes en una muestra.

II.4.1.3. DQO (Demanda química de oxígeno)

Tomando en cuenta que la DQO, expresa la cantidad de oxígeno necesario para la
oxidación química de la materia orgánica; su variación fue determinada siguiendo el
método espectrofotométrico (ó de reflujo cerrado, Anexo B3) descrito en la norma
mexicana NMX-AA-030-SCFI-2001[83]. La determinación de la variación de intensidad de
la absorbancia, se hizo en cada una de las alícuotas tomadas, a diferentes tiempos, de las
muestras de estudio durante la ozonación (3, 5, 10, 20, 30, 40, 50 y 60 minutos),
realizando las lecturas en un intervalo de 600 a 610 nm.

II.4.1.4. El crecimiento microbiano durante el proceso

Con base en los análisis obtenidos durante la ozonación, se eligieron las muestras que
fueron sometidas al bioproceso (OrDl, M30O y M60O), se tomaron los espectros VIS entre
700 y 500 nm y se midió la densidad óptica a 645 nm durante la aclimatación y
crecimiento de los consorcios. Paralelamente se evaluó la biodegradación en esta etapa,
midiendo la absorbancia a 210 nm (Figura II.7, Análisis a).

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II.4.1.5. Decremento de la materia orgánica durante la biodegradación

Una vez alcanzada la aclimatación con la concentración máxima de sustrato, se comenzó
a evaluar la disminución de materia orgánica midiendo la absorbancia a 210 nm (Figura
II.7, Análisis b).

II.4.2. Análisis cromatográficos

La variación cuali-cuantitativa de los compuestos orgánicos presentes en las muestras
estudiadas se determinó por HPLC y GC-MS. Se utilizó un equipo HPLC, Perkin Elmer
200 con detector de UV bajo diferentes condiciones de operación (Tabla II.7 y Tabla II.8) y
un equipo de los laboratorios de la Academia de Química Analítica de la ESIQIE-IPN de
GC-MS, Perkin Elmer Clarus 600 y Clarus 600T (Tabla II.9). El estudio se hizo en la
materia prima y en las muestras de estudio, tanto en la etapa de ozonación como en la de
biodegradación. Las determinaciones cualitativas fueron hechas tomando en cuenta los
tiempos de retención