Obtención de la muestra de nejayote

El nejayote se obtuvo de la nixtamalización de maíz blanco procedente de la región de Tamaulipas. Dicho proceso se realizó utilizando el método tradicional modificado de ^{Salazar et al. (2014)}, el cual consistió en suspender 1 kg de maíz con 2 L de disolución de cal apagada al 1 % (p/v). El cocimiento se realizó a 97 ºC durante 90 min (manteniendo el volumen total constante durante la cocción). Posteriormente, se dejó en reposo hasta alcanzar la temperatura de 28 ºC, se separó el maíz (nixtamal) del agua de remojo (nejayote) y se realizaron dos lavados con agua purificada usando el mismo volumen del agua de cocción, dicho enjuague sirvió para desprender la cal y el pericarpio adheridos al maíz nixtamalizado. Este procedimiento produjo 18 L de nejayote por cada 3 kg de maíz. El agua de enjuague y el nejayote se mezclaron y se conservaron a 4 ºC en ausencia de luz.

Caracterización del nejayote

Tres muestras de nejayote obtenidas de manera independiente se caracterizaron considerando los siguientes parámetros: DQO (mediante el uso de un digestor y espectrofotómetro marca Hach modelo DR 2700 que se apega a la norma NMX-AA-030-SCFI-2012 (^{SCFI 2012}); DBO₅ según la norma NMX-AA-028-SCFI-2001 (^{SCFI 2001}); pH; dureza según la norma NMX-AA-072-SCFI-2001 (^{SCFI (2001b)}; calcio con el método 2111-APHA (^{APHA, AWWA, WEF 1998}); sólidos suspendidos totales (SST) y sólidos totales (ST) con el método 2540-APHA (^{APHA, AWWA, WEF 1998}); sólidos sedimentables (SSED) según la norma NMX-AA-004-SCFI-2013 (^{SCFI 2013}); proteína (^{Bradford 1976}); fibra cruda según la norma NMX-F-090-1978 (^{SEPAFIN 1978}); fenoles totales según la norma NMX-AA-050-SCFI-2001 (^{CSFI 2001a}) y azúcares reductores (^{Miller 1959}). Se reportó el promedio obtenido de cada parámetro y su desviación estándar.

Tratamiento del nejayote con alginato

Con el fin de secuestrar los iones divalentes (Ca⁺² y Mg⁺²) presentes en el nejayote, se calculó de manera estequiométrica la cantidad de citrato de sodio para secuestrar dichos iones (1073 mg/L de Ca²⁺), de acuerdo con este cálculo se añadieron 2.6 g/L de citrato de sodio. A 50 mL de esta mezcla se añadieron alícuotas de una solución acuosa de alginato (1, 2 y 3 % p/v). Después de mezclar los componentes, el alginato fue gelificado por la adición de 10 mL de CaCl₂ al 5 % (p/v). Se dejó reposar la solución a 28 ºC en un baño de agua durante 24 h. Finalmente, se separó el gel por filtración (usando papel Whatman No. 1 Maidstone, Inglaterra) y al sobrenadante se le determinaron las variables de respuesta. Para verificar la efectividad del polímero se utilizó un testigo (nejayote únicamente filtrado). Las variables de respuesta cuantificadas en todos los tratamientos fueron: el porcentaje de remoción de DQO, fenoles totales, azúcares reductores y ST. Todos los experimentos se realizaron por triplicado. El diseño experimental fue de tipo factorial (dos factores con tres niveles), los factores fueron la concentración de alginato (0.16, 0.33 y 0.50 % p/v) y el pH (4, 8 y 12). Las variables de respuesta fueron DQO, fenoles, azúcares reductores y ST. A los datos se les hizo un análisis de varianza y para comprobar la diferencia entre los tratamientos se realizó una prueba de Tukey.

Tratamiento del nejayote con quitosano soluble

Se realizó un análisis de varianza de un factor para determinar la diferencia entre los tratamientos en los que se modificó la concentración del quitosano para evaluar su efectividad en la remoción de contaminantes del nejayote. A muestras de 50 mL de nejayote se les añadió HCl al 10 % (v/v) para ajustar el pH a un valor de 2, posteriormente se les añadió la cantidad necesaria de quitosano en polvo para obtener las concentraciones a evaluar (0.2 a 1.0 % p/v). Para la disolución del quitosano en nejayote, las soluciones obtenidas se dejaron reposar por 12 h a 28 ºC. Posteriormente, se reajustó el pH de la solución de nejayote-quitosano a 2. Para separar el quitosano y los componentes del nejayote adsorbidos a él, se elevó abruptamente el pH a un valor de 11 con NaOH al 30 % (p/v). Se dejó reposar durante 30 min a 28 ºC en baño de agua y se separó por filtración usando papel Whatman No.1 (Maidstone, Inglaterra). Al filtrado y al nejayote testigo (nejayote filtrado) se le determinaron las variables de respuesta (DQO, fenoles, azúcares reductores y ST). Todos los experimentos se realizaron por triplicado y se realizó un análisis de varianza de una vía con los datos obtenidos.

Tratamiento del nejayote con quitosano en polvo (insoluble)

Para el tratamiento de adsorción con quitosano en polvo de peso molecular medio (Sigma-Aldrich, Steinhem, Alemania) se utilizó el mismo diseño experimental que con el alginato. Los factores fueron: la concentración de quitosano (0.5, 1.0 y 1.5 % (p/v) y el pH (4, 8 y 12). Las muestras de nejayote se ajustaron a los diferentes valores de pH utilizando NaOH y HCl diluidos. Posteriormente se añadió quitosano en polvo al nejayote para ajustar su concentración al 0.5, 1.0 y 1.5 % (p/v) y tras un día de incubación con agitación orbital a 28 ºC y 150 rpm, se separó el polímero del nejayote por medio de filtración rápida (Whatman No. 6 Maidstone, Inglaterra) y se cuantificaron las variables de respuesta a las muestras tratadas con el polímero y a un testigo de nejayote filtrado.

Tratamiento secuencial

Para determinar el efecto del orden en la aplicación de los biopolímeros en las variables de respuesta, se realizaron tratamientos con alginato y quitosano de manera secuencial, alternando el orden de los polímeros utilizados. Las secuencias utilizadas fueron las siguientes: a) aplicación de alginato al nejayote y el efluente obtenido se sometió al tratamiento con quitosano soluble (alginato-quitosano) y b) aplicación de quitosano soluble al nejayote seguido del tratamiento con alginato al efluente resultante (quitosano-alginato). Cada uno de los tratamientos se realizó por triplicado bajo las condiciones óptimas obtenidas para la aplicación de los polímeros de manera independiente.

Análisis estadístico

La diferencia entre los tratamientos: a) alginato, b) quitosano, c) quitosano-alginato y d) alginato-quitosano se obtuvo con un análisis de varianza de un factor. La diferencia de medias se realizó con una prueba de Tukey con una significancia de p ≤ 0.05. Los análisis se realizaron en el programa estadístico R (^{Core 2013}). La medición de los parámetros se hizo por triplicado, los resultados se expresaron como la media ± desviación estándar.

Caracterización del nejayote

Desde el punto de vista social y económico, los derivados del maíz son importantes, sin embargo, el nejayote producido en el proceso de la nixtamalización es altamente contaminante (^{Paredes-López et al. 2009}, ^{Ferreira-Rolón et al. 2014}). La composición del nejayote varía en función del tipo de maíz, cantidad por lote, agua utilizada, cantidad de cal, y tiempo de cocción y de reposo (^{Campechano-Carrera et al. 2012}). En el cuadro I se muestra la caracterización del nejayote en estudio y se contrasta con valores reportados por otros autores. Como puede observarse, para el nejayote en estudio se obtuvieron valores elevados de pH (10.9 ± 0.46) debido al exceso de Ca(OH)₂, también se afectó el valor de la dureza (1826 ± 25 mg/L CaCO₃), las cenizas (0.65 ± 0.16 %), la alcalinidad total (2600 ± 265 mg/L CaCO₃) y la concentración de Ca_Tot (1073 ± 125 mg/L). El proceso de cocción y lavado modifica los componentes del maíz, permite el desprendimiento del pericarpio y eleva la cantidad de SST (18 900 ± 900 mg/L) y SSED (410 ± 10 mL/L), aunque no en la misma proporción, pero sí en cantidades elevadas. ^{Valderrama-Bravo et al. (2012)} reportaron 8342 ± 25.3 mg/L de SST y una cantidad > 100 mL/L de SSED. La variedad del grano utilizado y las diferencias entre los procesos de nixtamalización empleados en cada estudio generan una variación en los resultados (desviación estándar). Entre los principales componentes del nejayote se encuentran: antioxidantes (fenoles totales 31.81 ± 2.86 mg/L), hemicelulosa y celulosa (fibra cruda = 20.21 ± 0.862 %), azúcares reductores del endospermo (149 ± 13.04 mg/L), proteínas (proteína cruda = 6.125 ± 0.671 %), así como carotenoides que le dan el color amarillo característico a este efluente. La presencia de estos componentes en solución o suspensión ocasiona que el nejayote sea altamente contaminante (^{Berlanga-Reyes et al. 2011}, ^{Valderrama-Bravo et al. 2012}). Diferentes autores, como ^{Suárez-Meraz et al. (2016)}; ^{Castro-Muñoz et al. (2015)}; Ferreira-Rolón et al. (2014) y ^{Valderrama-Bravo et al. (2012)} caracterizaron el nejayote y reportaron valores de pH entre 11.39 y 13.4, intervalos de DQO de 24 600 a 40 058 mg O₂/L, concentraciones de Ca_Tot de 955.7 a 1 526 mg/L y dureza de 5 768 a 7 500 mg/L. La concentración de Ca_Tot encontrada en la muestra de nejayote tratada en este estudio se encuentra en el intervalo mencionado por dichos autores. Por otro lado, el valor de pH encontrado se encuentra muy cerca del límite inferior reportado (11.49 ± 0.49 a 12 ± 0.2) (^{Valderrama-Bravo et al. 2012}, ^{García-Depraect et al. 2017}). Sin embargo, los valores de la DQO y dureza están fuera del rango encontrado por estos autores. Las diferencias en el proceso, como el tipo de agua, tiempos de reposo y el tipo de maíz empleado en la nixtamalización se ven reflejados en la variabilidad de los parámetros analizados.

El proceso de nixtamalización, como ya se ha mencionado, provoca el desprendimiento de pericarpio, germen y endospermo, lo que aumenta el material suspendido y sedimentable, debido a esto los SST y SSED se elevan (^{Suárez-Meraz et al. 2016}). La muestra de nejayote rebasó los límites máximos establecidos por las normas oficiales mexicanas NOM-001-SEMARNAT-199, NOM002-SEMARNAT-1996 y ^{SEMARNAT 1996}, ^1996a (ver Cuadro I). Otros autores encontraron valores similares a los obtenidos en la muestra de estudio, por ejemplo, ^{Pulido et al. (1987)} reportaron una concentración de SST de 20 000 mg/L y ^{Durán-de Bazúa et al. (2007)} encontraron una concentración de 2400 mg/L de SST.

Por otro lado, aunque no se ha establecido el límite máximo permisible para la DQO de una descarga, diferentes grupos de investigación coinciden en que los valores de la DQO reportados para el nejayote son elevados (10 200 a 22 200 mg/L) (Durán-de Buzúa et al. 2007, ^{García-Zamora et al. 2015}, ^{Suárez-Meraz et al. 2016}). A pesar de que la DQO no se considera en la NOM-002-SEMARNAT-1996 (^{SEMARNAT 1996a}), su determinación es importante en la caracterización del nejayote y en la evaluación de la eficiencia de los tratamientos aplicados en este trabajo, debido a que este parámetro permite conocer la cantidad total de materia orgánica que se quiere disminuir con los tratamientos propuestos.

Tratamiento del nejayote con alginato

Con el objetivo de disminuir la carga orgánica del nejayote se estudió la influencia del pH y la concentración de alginato en la disminución de la DQO, concentración de fenoles, azúcares reductores y ST de este residuo. La prueba de análisis de varianza muestra que la concentración de alginato y el pH, así como las interacciones de estos factores influyen de forma significativa (p < 0.05) en la remoción de los contaminantes del nejayote tales como la DQO, fenoles, azúcares y ST (Cuadro II). La mejor combinación para remover la DQO es a pH 4 con una concentración de alginato al 0.33 %. En la figura 1a se observa que se logra una remoción de 61.2 %.

Fig. 1 Porcentaje de remoción de contaminantes en función de la concentración de alginato (0.16, 0.33 y 0.50 % (p/v)) y el pH (4, 8 y 12): a) demanda química de oxígeno (DQO), b) fenoles, c) azúcares y d) sólidos totales (ST; p ≤ 0.05) 

La utilización de concentraciones menores a este valor implica también una menor concentración de sitios de interacción molecular, lo que se refleja en un bajo nivel de remoción de la DQO. Por otro lado, el incremento en la concentración de alginato (0.5 %) disminuyó también los valores de remoción de la DQO, debido a que el exceso de dicho polímero provoca su estabilización (^{Bolto y Gregory 2007}). Se observó que valores de pH 4 permitieron una mayor remoción de contaminantes. Lo anterior puede ser debido a que a un pH 4 existe una mayor proporción de moléculas de alginato que están desprotonadas, pues los valores de pKa de los grupos carboxilo del G y M son de 3.65 y 3.38, respectivamente (^{Maurstad et al. 2003}). Esto permite que el alginato interaccione con el Ca⁺² y forme un gel muy estable de alginato de calcio, de fácil manejo para separarlo del sobrenadante.

Se ha reportado que los valores de pH ácidos favorecen el establecimiento de interacciones hidrofóbicas y puentes de hidrógeno entre el biopolímero y los diferentes componentes solubles e insolubles de la muestra (^{Berlanga-Reyes et al. 2011}, ^{Valderrama-Bravo et al. 2012}, ^{Ramírez-Romero et al. 2013}). Cuando el gel de alginato de calcio se forma en presencia del nejayote, una fracción de los sólidos disueltos y suspendidos quedan adsorbidos y atrapados en los espacios presentes entre los dímeros del alginato. La formación de dichos espacios se origina por la acción cohesiva del ion de calcio al interactuar con los grupos carboxilo, hidroxilo y con los átomos de oxígeno que forman el enlace glucosídico y el enlace hemiacetálico de los residuos de G de la cadena polimérica (^{Lin et al. 2012}).

Con respecto a los fenoles (Fig. 1b), se observó una variación del porcentaje de remoción de estos compuestos en función del pH. A pesar de la repulsión inicial ejercida por los grupos carboxilo ionizados presentes en los residuos de M y G, se obtuvo la mayor remoción a pH = 4 (75 %). Por otro lado, la menor remoción fue de 63 % y se obtuvo a pH 8.

En el caso de la remoción de los azúcares (Fig. 1c), se observó que al incrementarse el pH la eficiencia de remoción también aumentó, lo cual sugiere que las fuerzas de cohesión entre los grupos carboxilo del alginato y los azúcares del nejayote son lo suficientemente fuertes para aumentar su remoción, como ya lo han reportado ^{Meng et al. (2015)}. La eficiencia de remoción máxima de azúcares por el alginato fue del 94.5 % cuando el pH se mantuvo fijo (4, 8 y 12). De hecho, no se observaron diferencias significativas en la remoción de azúcares en los tres valores de pH, salvo a pH 4 y concentración de alginato de 0.33 %, donde una ligera turbidez de la solución subestimó la eficiencia de remoción observada.

La característica física más importante de las aguas residuales es el contenido de ST, los cuales comprenden la materia en suspensión, sedimentable y disuelta (^{Sahu y Chaudhari 2013}). De manera general se obtuvieron valores bajos de remoción debido a la presencia de iones Ca⁺², Cl^-1, citrato, Na⁺¹, etc., en el filtrado, que evita obtener valores reales de la remoción. Para visualizar esta situación se aplicó la metodología propuesta a una muestra de agua destilada usada como testigo y se obtuvo un rango de ST de 6125 a 6537 mg/L independientemente del pH y la concentración de alginato. Se observa que al incrementar la concentración de alginato se obtienen valores de remoción de ST mayores. Sin embargo, se encontró que el máximo de remoción fue del 15 % a pH 8 con 0.33 % (p/v) de alginato (Fig. 1d). Lo anterior puede deberse a varios efectos involucrados en la remoción de ST. Primero, a medida que el pH se incrementa, la repulsión entre el alginato, las moléculas y las partículas presentes en el nejayote es mayor, por lo que un pH intermedio favorece una mayor remoción. Segundo, a pH 8 la concentración intermedia del alginato presenta una mayor remoción de ST, lo cual sugiere un comportamiento típico de un agente floculante como el alginato, donde concentraciones bajas del polímero dificultan una buena floculación y las concentraciones altas sobre estabilizan a las partículas que están contenidas en el nejayote (^{Singh et al. 2000}, ^{Sahu y Chaudhari 2013}). Por último, es importante mencionar que la cantidad adicionada de citrato de sodio que actuó como agente secuestrante del Ca²⁺, se disolvió completamente en el nejayote. Lo anterior provocó que al realizar la gelificación y la filtración los iones solubles (citrato, Na⁺ y Ca²⁺) terminaran en la fase acuosa, produciendo un valor alto de ST. Esto resultó en una baja eficiencia de remoción de los mismos.

Tratamiento con quitosano soluble

En este estudio se analizó la capacidad de remoción con base en los principios de adsorción-precipitación del quitosano, a diferencia del proceso de coagulación-floculación reportado por ^{Guibal y Roussy (2007)} y ^{Suárez-Meraz et al. (2016)}. De esta manera, el quitosano soluble adsorbe a los sólidos suspendidos y disueltos presentes en el nejayote y posteriormente una elevación abrupta en el pH precipita al producto quitosano-nejayote. En la figura 2 se muestra el porcentaje de remoción de la DQO, fenoles totales, azúcares reductores y ST en función de la concentración de quitosano soluble. El tratamiento se llevó a cabo a pH ácido (pH = 2) para lograr solubilizar el quitosano en el nejayote, luego, se incrementó drásticamente el pH (hasta pH = 11) para insolubilizar al polímero con los contaminantes unidos a él. El mayor porcentaje de remoción de la DQO fue del 60 % cuando se utilizó quitosano al 0.8 % (p/v). La mayor remoción de fenoles fue del 61 % con una concentración de 0.6 % (p/v) de quitosano. El análisis de varianza (Cuadro III) mostró diferencia significativa entre los tratamientos de nejayote a diferentes concentraciones de quitosano (p < 0.05). Éste posee diferentes mecanismos por los cuales interactúa con el material presente en solución acuosa, los cuales se describen a continuación. Al poseer una carga positiva debido a los grupos amino protonados en soluciones con valores de pH ácido, neutraliza la carga de partículas coloidales con carga negativa y promueve la formación de grandes agregados (coloide-quitosano), debido a que las moléculas de este polímero actúan como agentes entrelazantes entre las partículas coloidales promoviendo la agregación y la sedimentación del material coloidal suspendido. Adicionalmente, las moléculas de quitosano pueden adsorber material disuelto presente en la fase acuosa. Posteriormente, el material disuelto y el coloidal, adsorbidos al quitosano, se pueden remover por sedimentación o filtración. ^{Renault et al. (2009)} y ^{Guibal y Roussy (2007)} han descrito que la remoción de diferentes materiales presentes en medio acuoso se puede representar por una gráfica, en forma de campana, de eficiencia de remoción en función de la dosis de quitosano. Este mismo comportamiento se obtuvo en el tratamiento de nejayote. Cuando se añadieron concentraciones bajas, el material coloidal suspendido y disuelto fue parcialmente neutralizado y adsorbido a este polímero, siendo insuficiente para lograr la sedimentación de todo el material presente en la fase acuosa. Por esta razón, la eficiencia de remoción es baja a dosis pequeñas de quitosano. Cuando se llega a la cantidad óptima de añadida, se dice que se llega al máximo de la campana y que todo el material coloidal y disuelto se encuentra unido a este biopolímero y, en consecuencia, su separación es eficiente mediante sedimentación o filtración. Sin embargo, si la cantidad de polímero está en exceso, el pH ácido de la solución lo hidroliza por β-eliminación con una magnitud que es proporcional a la concentración de quitosano, de tal manera que se generan mono y oligosacáridos que no precipitan al elevar el pH, consecuentemente la eficiencia de remoción se ve disminuida. Es importante mencionar que la naturaleza y concentración de los contaminantes contenidos en el medio acuoso determinarán la cantidad que se añadirá de quitosano para removerlos de la solución acuosa. ^{Guibal y Roussy (2007)} encontraron que para remover colorantes la cantidad óptima de es de 43 mg/L, ^{Pinotti et al. (1997)} reportaron que hasta 100 mg/L de este polímero se requieren para remover residuos en forma de emulsión de la industria de alimentos, ^{Guerrero et al. (1998)} utilizaron quitosano (100 mg/L) para remover sólidos suspendidos de la industria pesquera, ^{Li et al. (2013)} necesitaron de 20 mg/L para remover a la bentonita de suspensiones acuosas y ^{Suárez-Meraz et al. (2016)} reportaron que la cantidad óptima para remover material coloidal de nejayote fue de 47 mg/g de nejayote sólido removido. En el caso del nejayote sin tratar, se encontró que se requiere de 0.6 % y 0.8 % (p/v) de quitosano para lograr una remoción máxima de la DQO y fenoles, respectivamente (Figs. 2a y 2b). Se puede observar que los datos mostrados en estas figuras tienen una tendencia de campana. Estos resultados sugieren que el material coloidal interacciona con el quitosano de manera similar a una coagulación-floculación en su fase inicial. Es decir, los sólidos suspendidos y disueltos se adsorben al quitosano, pero, al precipitarlos con el cambio abrupto de pH el comportamiento es diferente al observado en un proceso de floculación-sedimentación. En lo referente a los azúcares reductores se alcanzó el 25 % de remoción a concentraciones de 0.2 a 0.6 % (p/v) de quitosano. En el caso de estos últimos (Fig. 2c), no se observa el mismo perfil de remoción que en los casos anteriores debido a que los azúcares reductores cuantificados en el nejayote después del tratamiento con quitosano son en su mayoría solubles y sólo una fracción de ellos se une a este polisacárido. En consecuencia, se observa que se requiere entre 0.2 y 0.6 % para obtener una remoción de azúcares considerable (25 % en promedio). Se observó que al incrementar la concentración del biopolímero la remoción de azúcares disminuye, lo que sugiere que hay una hidrólisis del quitosano que libera azúcares que son reductores, por lo tanto, la eficiencia de remoción se ve afectada.

Fig. 2 Porcentaje de remoción de contaminantes en función de la concentración de quitosano soluble: 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 y 1 % (p/v). a) demanda química de oxígeno (DQO), b) fenoles, c) azúcares y d) sólidos totales (ST; p ≤ 0.05) 

Por otra parte, para los ST la eficiencia de remoción fue del 30 al 34 %. Estos resultados concuerdan con los de ^{Suárez-Meraz et al. (2016)} quienes reportan que las interacciones electrostáticas entre coloides del nejayote y el quitosano tienen un papel importante para la remoción de sólidos. La figura 2d muestra que el porcentaje de remoción, aunque existe diferencia significativa entre los tratamientos (Cuadro IIId), es poco dependiente de la cantidad de quitosano. El quitosano gelificado obtenido de cada tratamiento (quitosano-nejayote), se separó con una membrana de tipo cualitativo (Whatman No. 1 Maidstone, Inglaterra) permitiendo pasar sólidos menores a 3 µm. Cabe señalar que la formación del gel atrapa los sólidos sedimentables y suspendidos y parte del material coloidal. Al final se cuantificó la cantidad de ST como variable de respuesta y se obtuvo una remoción de 30.5 a 34.5 % de ST, mientras que el nejayote testigo solamente removió un 13 ± 0.5 %. ^{Suárez-Meraz et al. (2016)} han reportado resultados eficientes en la remoción de la turbiedad (80 %) del nejayote con quitosano. Sin embargo, a diferencia de ellos que utilizaron nejayote centrifugado, en este estudio el tratamiento se aplicó a muestras de nejayote completo. El proceso propuesto en este trabajo disminuye el equipo y operaciones unitarias empleadas para su tratamiento y, en consecuencia, su costo.

Tratamiento con quitosano en polvo (insoluble)

Para evaluar la eficiencia del quitosano en polvo, se midió la remoción de contaminantes en función de su concentración (0.1, 0.5, 1 y 1.5 % p/v) y el pH (4, 8 y 12). Dichas concentraciones fueron utilizadas teniendo en cuenta que, a valores inferiores de concentración, las eficiencias de remoción estuvieron por debajo de aquellas obtenidas con quitosano soluble, ya que con este tratamiento se midió la capacidad de remoción por el fenómeno de adsorción. El análisis de varianza (Cuadro IV) muestra diferencia significativa entre los tratamientos (p < 0.05), además existen interacciones significativas entre el quitosano y el pH, siendo la mejor combinación de pH 8 y quitosano de 1.5. Esto se observa en la figura 3, donde al utilizar una concentración de quitosano al 0.1 %, se logró una remoción de la DQO entre 19 y 25 % en el intervalo de pH utilizado. Del mismo modo se removió entre un 15 y 29 % de fenoles y entre un 15 y 18 % de azúcares. En la figura 3a se muestra el porcentaje de remoción de la DQO en función de la concentración de quitosano insoluble y el pH. Al incrementar la concentración de quitosano no se afectó la eficiencia de remoción de la DQO en el intervalo de pH 8 -a 12. Sin embargo, a pH 8 y concentración de quitosano del 1.5 %, se observó un máximo en la DQO (48 %), lo que sugiere que el biopolímero está interaccionando de manera más eficiente con los materiales incluidos en el nejayote. El grado de desacetilación del quitosano (85 %), sugiere que a pH 8, los grupos amino están parcialmente protonados, lo que les confiere una considerable carga positiva. Debido a que las moléculas y partículas presentes en el nejayote poseen carga negativa, se genera una atracción de tipo electrostático que incrementa el valor de eficiencia en la remoción de la DQO dada por los puentes de hidrógeno. Además existen interacciones hidrofóbicas que favorecen la disminución de la DQO a valores superiores de pH (^{Bolto y Gregory 2007}). La figura 3a muestra que un incremento posterior a un pH de 12 desprotona completamente al quitosano y que la repulsión ejercida por sus moléculas hacia las moléculas y partículas presentes en el nejayote es lo suficientemente grande como para evitar un incremento importante en el porcentaje de remoción de la DQO. Por otro lado, se observó que a pH 4 las eficiencias de remoción de la DQO disminuyen y llegan a un mínimo cuando la concentración de quitosano es de 1.5 %. ^{Wang et al. (2006)} encontraron que el pKa del quitosano se encuentra entre 6.17 y 6.51, lo cual sugiere que los grupos amino de las unidades estructurales de este polímero (glucosamina), se protonan y adquieren una carga positiva a pH 2. en consecuencia, la solubilidad de este polisacárido se ve incrementada. Lo anterior se traduce en un aumento en el valor de la DQO final y, como resultado, la eficiencia de remoción disminuye de manera drástica.

Fig. 3 Porcentaje de remoción de contaminantes en función de la concentración de quitosano en polvo: 0.1, 0.5, 1.0 y 1.5 % (p/v)) y el pH: 4, 8 y 12. a) demanda química de oxígeno (DQO), b) fenoles, c) azúcares y d) s lang="ar-SA">ólidos totales (ST; p ≤ 0.05) 

^{Ozkorucuklu et al. (2009)} han reportado que los valores de pKa para diferentes ácidos fenólicos se ubican entre 4.20 y 4.40 para el grupo carboxilo y entre 8.70 y 9.40 para el hidroxilo del grupo fenólico. En este sentido es de esperar que al incrementarse el pH de la solución en que se encuentren los compuestos fenólicos presentes en el nejayote, estos tenderán a incrementar su carga negativa y en consecuencia a unirse a la superficie del quitosano por interacciones electrostáticas (Fig. 3b). En la figura 3b también se puede apreciar que la eficiencia de remoción de los fenoles no varía de manera importante con la concentración de quitosano. Los niveles de remoción que se muestran en esta figura, sugieren que el área de contacto con las moléculas del quitosano tiene un efecto poco importante para la remoción de los fenoles presentes en el nejayote.

Respecto a la remoción de azúcares (Fig. 3c) se observó un comportamiento similar al observado en los fenoles con dos pendientes definidas. La primera (pH de 4 a 8) es menos pronunciada que la observada en los fenoles debido a que no existen grupos ionizables en los azúcares del nejayote en este intervalo de pH, y la remoción de estos compuestos varía ligeramente con el pH. En contraste, la última región (pH = 8 a 12) es más pronunciada debido a la ionización de los grupos hidroxilo de los azúcares que se adsorben al quitosano de manera semejante a como se observó en los fenoles, es decir, por interacciones iónicas.

En relación con la remoción de ST, en la figura 3d se muestra que en los tratamientos a pH 8 y pH 12 se logra remover de 37 a 41 %, mientras que a pH 4 se alcanza una eficiencia de 28 a 38 %. Esto sugiere que a medida que disminuye el pH la disolución del polvo de quitosano se favorece por la protonación de sus grupos amino, incrementando la concentración de ST en el nejayote, lo cual se refleja en una disminución de la eficiencia de remoción de estos sólidos. Por otra parte, cuando se incrementó la concentración de quitosano en polvo, la hidrólisis de este polisacárido incrementó el contenido de sólidos disueltos. Para comprobar lo antes mencionado se utilizó un testigo, es decir, se dio tratamiento a muestras de agua bajo las mismas condiciones de tratamiento que al nejayote y se determinó la cantidad de ST remanente. Se obtuvo que a valores de pH 4 el quitosano aporta 5.01 ± 0.163 % en promedio, a pH 8, 4.35 ± 0.114 % y a pH 12, 4.93 ± 0.123 %. Esto afecta su eficiencia para la remoción de contaminantes del nejayote.

Tratamiento secuencial

Con el fin de probar la efectividad de la combinación de los polímeros empleados en los tratamientos anteriores, se realizó un tratamiento utilizando las condiciones que produjeran los mejores valores en la remoción de la DQO. Se utilizó este parámetro debido a que cualquier incremento en la cantidad de contaminantes orgánicos e inorgánicos se refleja en un aumento de este parámetro. Así, en primera instancia se aplicó el tratamiento con quitosano soluble al 0.8 % al nejayote y posteriormente al efluente resultante de este procedimiento se le trató con solución de alginato al 0.33 % (p/v) (tratamiento quitosano-alginato). Del mismo modo, para determinar si el orden de la aplicación de ambos biopolímeros afectaba la remoción de contaminantes del nejayote, se realizó el tratamiento a muestras de nejayote a pH 4 con solución de alginato al 0.33 % y enseguida se aplicó al efluente resultante la metodología previamente descrita utilizando quitosano soluble al 0.8 % (v/v) (tratamiento alginato-quitosano). Del mismo modo, se determinó la eficiencia de remoción de los mismos parámetros utilizados con alginato y quitosano de manera independiente (DQO, fenoles, azúcares y ST).

En el cuadro V se muestra la eficiencia de remoción de la DQO, fenoles, azúcares y ST al aplicar los biopolímeros de manera independiente (tratamientos quitosano y alginato) y secuencial (quitosano-alginato y alginato-quitosano). Como puede observarse, el tratamiento con alginato tiene mayor eficiencia de remoción de DQO, fenoles y azúcares que el tratamiento con quitosano, pero pasa lo contrario con los ST. Como ya se mencionó anteriormente, el alginato adsorbe moléculas disueltas y atrapa sólidos suspendidos del nejayote, lo que resulta en una mayor remoción. La baja eficiencia en la remoción de ST podría deberse a que en el pretratamiento de la muestra de nejayote se añade un agente secuestrante del Ca⁺² (citrato de sodio) y posteriormente, para el proceso de gelificación, se adiciona CaCl₂. Ambas sustancias disueltas en la muestra incrementan el contenido de ST y dan como resultado una baja eficiencia de remoción de esta variable de respuesta.

Con respecto a los tratamientos secuenciales, se encontró que el tratamiento alginato-quitosano es más eficiente en la remoción de todos los parámetros de respuesta (% de remoción de DQO, de fenoles, de azúcares y de ST). El material remanente del tratamiento con alginato (polímero aniónico) soluble y coloidal con carga negativa es atraído por el quitosano (polímero catiónico) a través de interacciones electrostáticas. Esto permite aumentar el porcentaje de remoción de los valores de DQO y fenoles. Sin embargo la remoción de los azúcares no es tan eficiente, probablemente por la hidrólisis del alginato y el quitosano que están constituidos por azúcares. Al tratar la muestra de nejayote con un sólo polímero, resulta ser más eficiente el alginato (61.43 % remoción de la DQO), pero si éste es seguido de un tratamiento con quitosano (alginato-quitosano) la reducción es mayor (70.19 % de la DQO). Dicho tratamiento mejora la eficiencia en la remoción de contaminantes en un 10 %. El análisis de varianza mostró diferencia significativa entre los tratamientos (p ≤ 0.001).

En otros estudios, ^{Ferreira-Rolón et al. (2014)} aplicaron un tratamiento anaeróbico al nejayote por medio de un reactor de lodos de flujo ascendente (UASB). Se utilizó agua residual municipal para diluir el nejayote (1-3 g/L de DQO) resultando una remoción del 90 % a una temperatura de 32 ºC. En otro estudio, ^{Suárez-Meraz et al. (2016)} mostraron la utilidad de remover material coloidal del nejayote con un tratamiento de coagulación-floculación a muestras de nejayote centrifugado. Utilizaron quitosano de diferentes pesos moleculares y lograron remover más del 80 % de la turbiedad, lo que les permitió cumplir con la norma oficial mexicana NOM-002-SEMARNAT-1996 (^{SEMARNAT 1996a}). A diferencia de los estudios mencionados, en los procesos realizados en este reporte se utilizó nejayote completo. Se utilizaron biopolímeros (alginato y quitosano) que, en primera instancia, no afectan al ambiente ya que son fáciles de degradar. El biopolímero que dio mejores resultados fue el alginato a pH 4 con una concentración del 0.33 %, ya que se logró remover el 61 % de la DQO. De esta manera, este tratamiento permite reducir las operaciones unitarias como el centrifugado previo al tratamiento o el mezclado con otro tipo de agua. El agua residual de este tratamiento, si bien no alcanza a cubrir con las especificaciones establecidas por las normas oficiales para descargarla en ríos, sí permite las descargas al suelo para darle uso como riego agrícola o descargarla al alcantarillado urbano o municipal.