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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIA DISEÑO DE UN SISTEMA DE TRATAMIENTO DE LOS LIXIVIADOS GENERADOS POR LA DISPOSICIÓN NO CONTROLADA DE POLVO DE ACERÍA SOBRE SUELO PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA QUÍMICA MARÍA GABRIELA RUIZ HINOJOSA [email protected] DIRECTORA: GUEVARA CAIQUETÁN, ALICIA DEL CARMEN MSc. [email protected] Quito, diciembre 2013 © Escuela Politécnica Nacional (2013) Reservados todos los derechos de reproducción DECLARACIÓN Yo, María Gabriela Ruiz Hinojosa, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. La Escuela Politécnica Nacional puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente. __________________________ María Gabriela Ruiz Hinojosa CERTIFICACIÓN Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por María Gabriela Ruiz Hinojosa, bajo mi supervisión. _________________________ Guevara Caiquetán, Alicia del Carmen MSc. DIRECTORA DEL PROYECTO AUSPICIO La presente investigación contó con el auspicio financiero del proyecto PIS - 38 2012: “Remediación de los suelos contaminados con metales pesados como Cu, Zn, Cr, Pb, Cd, Hg usando métodos electrocinéticos”, que se ejecuta en el Departamento de Metalurgia Extractiva de la Escuela Politécnica Nacional. AGRADECIMIENTO El agradecimiento más profundo y sentido va para mi familia. Sin su apoyo, colaboración e inspiración habría sido imposible llevar a cabo esta dura empresa. A mis padres, Felipe y Carmita, por su ejemplo de lucha y honestidad; a mi hermana Daniela, por su paciencia, inteligencia y generosidad; y a mi hermana Eleana, por ser un ejemplo de valentía, capacidad y superación…por ellos y para ellos! Debo agradecer de manera especial y sincera a la Ing. Alicia Guevara, por aceptarme para realizar esta tesis bajo su dirección. Su apoyo y confianza y su capacidad para guiar mis ideas han sido un aporte invaluable, no solamente en el desarrollo de este trabajo, sino también en mi formación profesional. He de destacar, por encima de todo, su disponibilidad y paciencia, que hizo que nuestras conversaciones culminen satisfactoriamente tanto a nivel científico como personal. Le agradezco igualmente el siempre haberme facilitado los medios suficientes para llevar a cabo este proyecto. No cabe duda que su participación ha enriquecido el trabajo realizado y, además, ha significado el surgimiento de una sólida amistad. Muchas gracias por compartir conmigo una experiencia tan importante, Ing. Alicia. Quiero extender un sincero agradecimiento al Ing. Ernesto de la Torre, por su paciencia, disponibilidad y generosidad para compartir su experiencia y amplio conocimiento sobre la industria metalúrgica. Le agradezco también por sus siempre atentas y rápidas respuestas a las inquietudes surgidas durante el desarrollo de este trabajo, lo cual se ha visto también reflejado en los buenos resultados obtenidos. Aprovecho para agradecer también a Evelyn, Verito, Maguita y Don Klever, quienes colaboraron activamente conmigo durante mis estancias en el Departamento de Metalurgia Extractiva. Para los ellos, mis más sinceros agradecimientos. Finalmente, para mis compañeros y amigos tengo sólo palabras de agradecimiento, especialmente por aquellos momentos en los que no pude compartir con ellos; ha sido un camino largo y duro en el que, algunas veces, la fijación por lograr mis objetivos me hizo olvidar la importancia del contacto humano y de la amistad. DEDICATORIA A mis padres, quienes me brindaron su apoyo incondicional e invalorable, constituyéndose en mi fuerza, perseverancia y voluntad para terminar mi carrera universitaria. A mi madre Carmita, por sus valores y consejos, por la motivación constante que me ha permitido ser una persona de bien y por su amor. A mi padre Felipe, por los ejemplos de perseverancia, responsabilidad y constancia, por el valor mostrado para salir adelante y por su amor. A mis hermanas, Daniela y Eleana, por haber fomentado en mí el deseo de superación y el anhelo de triunfo en la vida, y por estar siempre presentes, acompañándome para poderme realizar. A mis maestros, por su gran apoyo y motivación para la culminación de mis estudios profesionales y para la elaboración de esta tesis. Al Departamento de Metalurgia Extractiva de la Escuela Politécnica Nacional y a sus miembros. A mis compañeros de aula y amigos, que siempre compartieron conmigo sus ganas y anhelos por llegar a plasmar nuestro objetivo: llegar a ser profesionales de bien y para servicio de la sociedad. Finalmente, a todas aquellas personas presentes y ausentes, que me ayudaron siempre de forma desinteresada y sin egoísmo para poder llegar al final de esta larga y hermosa carrera universitaria. i ÍNDICE DE CONTENIDOS PÁGINA RESUMEN INTRODUCCIÓN xiii xv 1 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 1 1.1 Características del polvo de acería 1.1.1 Mecanismos de formación del polvo de acería 1.1.2 Caracterización del polvo de acería 1 1 4 1.2 Problemática ambiental generada por la disposición no controlada de polvo de acería 1.2.1 Características del suelo 1.2.1.1 Composición del suelo 1.2.1.2 Propiedades físicas y químicas del suelo 1.2.1.2.1 Tamaño de partícula 1.2.1.2.2 Densidad 1.2.1.2.3 Porosidad 1.2.1.2.4 pH 1.2.1.2.5 Conductividad 1.2.1.2.6 Textura 1.2.1.3 Procesos que se desarrollan en el sistema suelo 1.2.1.3.1 Procesos físicos 1.2.1.3.2 Meteorización 1.2.1.3.3 Procesos químicos 1.2.1.3.4 Intercambio iónico 1.2.1.3.5 Absorción 1.2.1.3.6 Procesos microbiológicos 1.2.2 Características del agua dentro del suelo 1.2.2.1 Propiedades físicas y químicas de la solución del suelo 1.2.2.2 Infiltración y redistribución del agua en el suelo 1.2.2.3 Instrumentos para la evaluación de la solución del suelo: Lisímetros 1.2.3 Riesgos para el suelo y las aguas subterráneas 32 33 Técnicas de tratamiento de residuos sólidos potencialmente peligrosos y sus lixiviados 1.3.1 Tratamientos tradicionales de suelos contaminados 1.3.1.1 Estabilización por encapsulación 1.3.1.2 Extracción por lavado 1.3.1.3 Depuración química por electroremediación 1.3.2 Tratamientos tradicionales de polvo de acería 1.3.3 Tratamiento de lixiviados por métodos no convencionales 1.3.3.1 Electrocoagulación 1.3.3.2 Fitorremediación 34 34 34 36 36 37 40 40 41 1.3 6 11 11 16 16 16 17 17 19 20 20 20 21 22 23 26 27 27 30 31 ii 1.3.3.3 Adsorción en carbón activado 42 2 MATERIALES Y MÉTODOS 43 2.1 Muestreo de polvo de acería y suelo cultivable 2.1.1 Procedimiento de muestreo empleado 2.1.2 Preparación de las muestras 45 46 47 2.2 Caracterización física, química y mineralógica del polvo de acería y el suelo no afectado 2.2.1 Determinación de la densidad aparente 2.2.2 Determinación de la densidad real 2.2.3 Determinación de la porosidad 2.2.4 Determinación de la humedad 2.2.5 Determinación del pH y de la conductividad 2.2.6 Determinación del poder retentivo de agua 2.2.7 Determinación de la granulometría 2.2.7.1 Tamizado en húmedo (deslamado) 2.2.7.2 Tamizado en seco 2.2.8 Determinación del contenido de materia orgánica 2.2.9 Determinación del contenido total de elementos químicos por espectrofotometría de absorción atómica 2.2.9.1 Calcinación de las muestras de suelo agrícola 2.2.9.2 Disgregación ácida de las muestras de suelo agrícola y análisis químico 2.2.9.3 Disgregación ácida de las muestras de polvo de acería y análisis químico 2.2.10 Determinación del contenido total de elementos químicos por microscopía electrónica 2.2.11 Análisis mineralógico por difracción de rayos X 2.2.12 Análisis toxicológico TCLP sobre el polvo de acería 2.3 2.4 47 47 48 48 49 49 50 50 51 51 52 53 53 53 54 55 55 56 Caracterización química de los lixiviados generados por una capa de 15 cm de polvo de acería percolados a través de suelo no afectado 2.3.1 Ensayos en columna 2.3.1.1 Diseño de las columnas de percolación 2.3.1.2 Instalación de las columnas de percolación 2.3.2 Caracterización química de los lixiviados 2.3.2.1 Determinación del caudal 2.3.2.2 Determinación del pH 2.3.2.3 Determinación del contenido de carbón orgánico total 2.3.2.4 Análisis químico por espectrofotometría de absorción atómica 61 Evaluación de los cambios fisicoquímicos que se producen en suelo afectado por la adición de una capa de 15 cm de polvo de acería 62 56 57 57 58 60 60 61 61 iii 2.5 Evaluación del proceso de estabilización por encapsulación de los lixiviados generados por el polvo de acería 2.5.1 Encapsulación de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través de suelo agrícola 2.5.2 Encapsulación del extracto lixiviado resultante del análisis toxicológico TCLP sobre el polvo de acería 2.5.3 Caracterización de los sólidos estabilizados 2.5.3.1 Caracterización física y química del sólido estabilizado 2.5.3.1.1 Determinación de la densidad 2.5.3.1.2 Determinación de la humedad 2.5.3.1.3 Determinación del pH y de la conductividad 2.5.3.2 Análisis toxicológico TCLP sobre el sólido estabilizado 2.5.3.3 Determinación de la resistencia a la compresión del sólido estabilizado 67 Definición del diagrama de flujo del sistema propuesto para el tratamiento de los lixiviados generados por el polvo de acería 68 Evaluación económica de la implementación del sistema de tratamiento propuesto y comparación con métodos alternativos 70 3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 71 3.1 Caracterización física, química y mineralógica del suelo agrícola y el polvo de acería 3.1.1 Propiedades físicas y químicas de las muestras de suelo agrícola y de polvo de acería 3.1.2 Composición química de las muestras de suelo agrícola y polvo de acería 3.1.2.1 Caracterización química por absorción atómica 3.1.2.2 Caracterización química por microscopía electrónica de barrido con microanalizador de rayos X 3.1.2.3 Caracterización mineralógica por difracción de rayos X 3.1.3 Caracterización toxicológica del polvo de acería 2.6 2.7 3.2 Caracterización química de los lixiviados generados por una capa de 15 cm de polvo de acería percolados a través del suelo agrícola 3.2.1 Parámetros de los ensayos en columna 3.2.2 Caudal de descarga y pH de los de lixiviados obtenidos en los ensayos en columna 3.2.3 Composición de los de lixiviados obtenidos en los ensayos en columna 3.2.3.1 Contenido de carbón orgánico total 3.2.3.2 Caracterización química por espectrofotometría de absorción atómica 3.2.3.3 Tasa de disolución de los elementos químicos removidos en los lixiviados 63 63 64 65 65 65 66 66 66 71 71 74 74 80 82 84 86 86 87 89 89 91 104 iv 3.3 3.4 3.5 3.6 Evaluación de los cambios morfológicos que se producen en polvo de acería debido a los proceso en columna 110 Estabilización por encapsulación de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola 3.4.1 Propiedades físicas y químicas del sólido estabilizado 3.4.2 Caracterización toxicológica del sólido estabilizado 113 113 115 Detalle del sistema propuesto para el tratamiento de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo 3.5.1 Definición de las materias primas 3.5.2 Descripción del sistema de tratamiento propuesto 3.5.3 Diagrama de bloques y de flujo del sistema propuesto para el tratamiento de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo 3.5.4 Descripción del equipamiento necesario para el tratamiento de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola 3.5.5 Dimensionamiento del equipamiento necesario para el tratamiento de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola 3.5.6 Distribución de los equipos en planta 118 118 118 120 122 124 126 Evaluación económica del sistema propuesto y comparación con métodos alternativos 3.6.1 Inversiones 3.6.1.1 Inversión fija 3.6.1.2 Capital de operación 3.6.1.3 Inversión total y financiamiento 3.6.2 Gastos financieros 3.6.3 Ingresos por concepto de multas 3.6.4 Indicadores económicos 3.6.5 Resumen de resultados de la evaluación económica 3.6.6 Comparación con métodos alternativos 126 127 127 129 131 131 132 133 135 135 4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 141 4.1 Conclusiones 141 4.2 Recomendaciones 144 BIBLIOGRAFÍA 146 ANEXOS 161 v ÍNDICE DE TABLAS PÁGINA Tabla 1.1. Composición química y mineralógica media del polvo de acería 4 Tabla 1.2. Composición química y mineralógica del polvo de acería de plantas de reciclaje de chatarra de la región de Lasso 5 Caracterización toxicológica del polvo de acería de plantas de reciclaje de chatarra de la región de Lasso 5 Tabla 1.4. Riesgos para la salud humana de metales pesados 9 Tabla 1.5. Composición elemental de la corteza terrestre 12 Tabla 1.6. Concentraciones normales y anómalas de elementos traza en suelos 15 Tabla 1.7. Términos usados para describir un suelo en función de su pH 17 Tabla 1.8. Términos usados para describir un suelo en función de su conductividad 20 Tabla 1.9. Iones presentes en la solución del suelo 29 Tabla 1.10. Procesos empleados para el tratamiento de polvo de acería 39 Tabla 3.1. Propiedades físicas y químicas iniciales del suelo agrícola y el polvo de acería 71 Tabla 3.2. pH y conductividad finales del suelo agrícola y del polvo de acería 73 Tabla 3.3. Composición elemental inicial y final del suelo agrícola por espectrofotometría de absorción atómica 75 Composición elemental inicial y final del polvo de acería por espectrofotometría de absorción atómica 80 Composición elemental inicial del suelo agrícola por microscopía electrónica de barrido con microanalizador de rayos X 81 Composición elemental inicial del polvo de acería por microscopía electrónica de barrido con microanalizador de rayos X 81 Tabla 3.7. Composición mineralógica inicial del suelo agrícola 82 Tabla 3.8. Composición mineralógica inicial del polvo de acería 83 Tabla 1.3. Tabla 3.4. Tabla 3.5. Tabla 3.6. vi Caracterización toxicológica del polvo de acería conforme al método EPA 1311 85 Tabla 3.10. Caudal de los lixiviados obtenidos en cada unidad experimental 87 Tabla 3.11. pH de los lixiviados obtenidos en cada sistema en función del tiempo 88 Contenido de carbón orgánico total de los lixiviados obtenidos en cada unidad experimental en función del tiempo 90 Concentración de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, As, Ni y Pb en los lixiviados producidos en la unidad experimental conformada por suelo agrícola solo 91 Concentración de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, As, Ni y Pb en los lixiviados producidos en la unidad experimental conformada por polvo de acería solo 93 Niveles críticos en los contrastes de análisis de varianza de los datos obtenidos para la unidad conformada por suelos agrícola afectado con polvo de acería (Ƚ = 0,05) 94 Concentración de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, As, Ni y Pb en los lixiviados producidos en el suelo agrícola afectado con polvo de acería 96 Tasa de disolución promedio de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, As, Hg, Ni, Ag y Pb en los lixiviados de cada unidad experimental 104 Micrografías del polvo acería inicial y final por microscopía electrónica de barrido con microanalizador de rayos X 111 Composición elemental inicial y final del polvo acería por microscopía electrónica de barrido con microanalizador de rayos X 112 Propiedades físicas y químicas del lixiviado resultante del proceso en columna estabilizado con cemento y cal 114 Propiedades físicas y químicas del extracto lixiviado resultante del análisis toxicológico TCLP sobre el polvo de acería estabilizado con cemento y cal 115 Caracterización toxicológica del lixiviado resultante del proceso en columna estabilizado con cemento y cal conforme al método EPA 1311 115 Tabla 3.9. Tabla 3.12. Tabla 3.13. Tabla 3.14. Tabla 3.15. Tabla 3.16. Tabla 3.17. Tabla 3.18. Tabla 3.19. Tabla 3.20. Tabla 3.21. Tabla 3.22. vii Caracterización toxicológica del extracto lixiviado resultante del análisis toxicológico TCLP sobre el polvo de acería estabilizado con cemento y cal conforme al método EPA 1311 117 Especificación de las materias primas necesarias para la estabilización de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola 118 Requerimientos del proceso de mezcla de los lixiviados con cemento y cal y curado de la mezcla 120 Nomenclatura de los equipos considerados en el diagrama de flujo del sistema propuesto para el tratamiento y su capacidad 122 Características de las corrientes indicadas en el diagrama de flujo del sistema propuesto para el tratamiento 122 Tabla 3.28. Especificaciones del tanque de almacenamiento de los lixiviados 124 Tabla 3.29. Condiciones de operación del sistema de almacenamiento de los lixiviados 125 Tabla 3.30. Especificaciones del sistema de almacenamiento de cemento y cal 125 Tabla 3.31. Características de la bomba para el transporte de los lixiviados desde el tanque de almacenamiento hacia la máquina mezcladora 125 Tabla 3.32. Inversión en terrenos y construcciones 127 Tabla 3.33. Inversión en maquinaria y equipos 128 Tabla 3.34. Inversión en otros activos 128 Tabla 3.35. Inversión fija 129 Tabla 3.36. Inversión semestral en mano de obra 129 Tabla 3.37. Inversión semestral en materiales directos 130 Tabla 3.38. Carga fabril semestral 130 Tabla 3.39. Capital de operación por semestre 131 Tabla 3.40. Resumen de inversiones 131 Tabla 3.41. Gastos de administración y ventas 132 Tabla 3.42. Datos económicos necesarios para el cálculo del punto de equilibrio 133 Tabla 3.23. Tabla 3.24. Tabla 3.25. Tabla 3.26. Tabla 3.27. viii Tabla 3.43. Indicadores económicos del proyecto 134 Tabla 3.44. Especificaciones del sistema de electrocoagulación 136 Tabla 3.45. Especificaciones del sistema de humedades artificiales 137 Tabla 3.46. Especificaciones del sistema de adsorción en carbón activado 137 Tabla 3.47. Equipamiento necesario para la planta de recuperación de zinc a partir de polvo de acería 138 Costo de los métodos de tratamiento de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo 139 Tabla 3.48. ix ÍNDICE DE FIGURAS PÁGINA Horno de arco eléctrico usado en la fundición de chatarra para la producción de acero 1 Precursores del polvo de acería y mecanismos de formación de este desecho 2 Figura 1.3. Generación de polvo de acería en un horno de arco eléctrico 3 Figura 1.4. Interrelaciones de la solución del suelo con el medio que la rodea 28 Figura 2.1. Metodología experimental seguida para el diseño de la planta de tratamiento de los lixiviados generados por la disposición no controlada de polvo de acería sobre suelo 45 Distribución de los tamices para el tamizado en húmedo de las muestras 51 Metodología seguida para la determinación del contenido de materia orgánica 52 Representación de la percolación del agua a través del sistema de suelo agrícola y polvo de acería por el método de desplazamiento simple 57 Esquema de las columnas de percolación utilizadas para el estudio de la influencia de polvo de acería sobre suelo agrícola 58 Disposición de las capas de polvo de acería, suelo y granito en los lisímetros 59 Figura 2.7. Esquema de instalación de las columnas de percolación 60 Figura 2.8. Ensayos desarrollados para la caracterización de los sólidos estabilizados 65 Figura 2.9. Disposición de las probetas en la máquina de compresión 67 Figura 3.1. Composición elemental del suelo agrícola al inicio y fin de los ensayos respecto a los elementos Al, Ca, Fe, K, Mg y Na 76 Composición elemental del suelo agrícola al inicio y fin de los ensayos respecto a los elementos traza Cr, Cu, Pb y Zn 76 Figura 1.1. Figura 1.2. Figura 2.2. Figura 2.3. Figura 2.4. Figura 2.5. Figura 2.6. Figura 3.2. x Esquema y dimensiones de las columnas de percolación diseñadas para el desarrollo de los ensayos en columna 86 pH de los lixiviados obtenidos en cada sistema en función del tiempo 89 Contenido de carbón orgánico total de los lixiviados en función del tiempo 90 Concentración de calcio (Ca) en los lixiviados obtenidos en cada unidad experimental en función del tiempo 98 Concentración de potasio (K) en los lixiviados obtenidos en cada unidad experimental en función del tiempo 98 Concentración de sodio (Na) en los lixiviados obtenidos en cada unidad experimental en función del tiempo 99 Concentración de magnesio (Mg) en los lixiviados obtenidos en cada unidad experimental en función del tiempo 100 Figura 3.10. Concentración de hierro (Fe) en los lixiviados obtenidos en cada unidad experimental en función del tiempo 100 Figura 3.11. Concentración de cromo (Cr) en los lixiviados obtenidos en cada unidad experimental en función del tiempo 101 Figura 3.12. Concentración de silicio (Si) en los lixiviados obtenidos en cada unidad experimental en función del tiempo 102 Figura 3.13. Concentración de zinc (Zn) en los lixiviados obtenidos en cada unidad experimental en función del tiempo 103 Figura 3.14. Tasa de disolución de los elementos Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, As, Ba, Hg, Ni, Ag y Pb en los lixiviados de cada unidad experimental 106 Figura 3.15. Tasa de disolución de los elementos Cu, As, Hg, Ni y Ag en los lixiviados de cada unidad experimental 106 Figura 3.16. Tasa de disolución de los elementos Al, Fe, Cr, Zn y Pb en los lixiviados de cada unidad experimental 107 Figura 3.17. Tasa de disolución de los elementos Si, Na, K, Ca y Mg en los lixiviados de cada unidad experimental 107 Figura 3.18. Micrografía del polvo acería inicial por microscopía electrónica de barrido con microanalizador de rayos X (5 000 X, 10 µm) 112 Figura 3.3. Figura 3.4. Figura 3.5. Figura 3.6. Figura 3.7. Figura 3.8. Figura 3.9. xi Figura 3.19. Diagrama de bloques del sistema propuesto para el tratamiento de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través de suelo agrícola 121 Figura 3.20. Diagrama de flujo del sistema propuesto para el tratamiento de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través de suelo agrícola 121 Figura 3.21. Sistema de recolección de lixiviados 123 Figura 3.22. Vista superior de la planta de tratamiento de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola 126 xii ÍNDICE DE ANEXOS PÁGINA ANEXO I Cálculo de las propiedades del suelo y del polvo de acería y tablas de resultados parciales 162 ANEXO II Cálculo de los parámetros para los ensayos en columna 180 ANEXO III Límites máximos permisibles normados 182 ANEXO IV Cálculo de las propiedades de los lixiviados y tablas de resultados parciales 184 ANEXO V Cálculo de las propiedades de los sólidos estabilizados y tablas de resultados parciales 210 ANEXO VI Criterios de ordenamiento y elegibilidad de los residuos a ser confinados 217 ANEXO VII Cálculo de la capacidad de la planta 218 ANEXO VIII Diseño de los equipos de la planta de tratamiento de los lixiviadoS 222 ANEXO IX Evaluación económica de los procesos de depuración de lixiviados 230 ANEXO X Catálogos de los equipos seleccionados 234 xiii RESUMEN Con el presente trabajo se buscó diseñar un sistema de tratamiento de los lixiviados generados por la disposición no controlada de polvo de acería procedente de una empresa de reciclaje de chatarra sobre suelo de la zona aledaña. Para esto se procedió con la recolección y caracterización de muestras de suelo y polvo; ensayos en columna para la producción, recolección y caracterización de los lixiviados generados por el polvo y percolados a través del suelo; y la posterior estabilización de éstos con cemento y cal. Los ensayos se realizaron en 5 columnas de vidrio de 6 cm de diámetro y 75 cm de altura, en las que se dispusieron: 50 cm de suelo en la columna 1, 15 cm de polvo de acería sobre 50 cm de suelo en las columnas 2, 3 y 4, y 15 cm de polvo de acería en la columna 5; éstas se sometieron a flujos constantes de agua de 0,15 mL/h. Los efluentes de cada sistema se recogieron y caracterizaron, encontrándose que los lixiviados generados por el polvo y percolados a través del suelo presentan concentraciones de cromo mayores a 0,5 mg/L, límite especificado por la normativa TULAS para las descargas líquidas a agua dulce. Posteriormente se estabilizaron los lixiviados generados, para lo cual se los mezcló con cemento Portland y cal en relaciones líquido/sólido de 0,4, 0,5 y 0,6. La caracterización de los sólidos obtenidos demostró que las relaciones líquido/sólido de 0,4 y 0,5 entregan un producto que cumple con la humedad recomendada de 10 % para su confinamiento en rellenos sanitarios. Seleccionada la mejor formulación para la estabilización de los efluentes, se diseñó un sistema de tratamiento de 2 m³ mensuales de líquido, proponiéndose el siguiente proceso: mezcla del lixiviado en relaciones líquido/sólido de 0,5 respecto al cemento y 2,0 respecto a la cal; moldeo y compactación de la mezcla; curado y secado de los bloques cada 3 días; y transporte de los bloques al relleno sanitario. Para esto, se requiere una inversión inicial de $ 234 232,30, obteniéndose un punto de equilibrio de 100 % y una tasa de retorno de 0 %. xiv En cuanto a las diferencias entre el material no percolado con el resultante del proceso en columna, se advierte una pérdida de sales y la consecuente disminución del pH, tanto del suelo como del polvo, así como una transferencia de cromo y cobre desde el desecho hacia el suelo. xv INTRODUCCIÓN La demanda nacional y mundial de acero aumenta a un ritmo importante, especialmente por causa del crecimiento de las economías emergentes. (Gerdau S.A., 2011, p. 3) La Asociación Mundial del Acero (2012) reportó para el 2012 una producción mundial de 1 518 millones de toneladas, pese a la crisis económica de la Unión Europea que afectó gravemente al sector de la construcción (p. 6). La tasa de generación de polvos residuales de acería se estima entre 12 y 14 kg de polvo por tonelada de acero manufacturada (Sandoval, 2010, p. 2), lo que se traduce en una producción de más de 17 millones de toneladas de desecho con base en la cifra señalada para el año 2012 por la Asociación Mundial del Acero. En Ecuador, Acería del Ecuador C.A. (2011) reporta 1 000 t anuales de este residuo (p. 5), mientras que en Novacero S.A. se obtienen 3 200 t de polvo de acería al año (Alvarez, 2010, pp. 1,5). El polvo de acería está constituido por partículas muy finas, de alrededor de 2 μm de diámetro. Debido a su alto contenido de metales pesados, como Cd, Cr, Pb, V y Zn, se considera contaminante y altamente tóxico, y es descrito de tal forma por muchas entidades dedicadas al cuidado y protección del medio ambiente. Adicionalmente, la composición química y el tamaño de grano del polvo de acería hacen que varios autores lo definan como un residuo peligroso y alerten sobre la posibilidad de percolación de sus elementos desde las capas superiores del suelo para contaminar el agua subterránea (Señas, Maiza, Marfil y Valea, 2003, p. 48). De ahí la importancia del desarrollo de procesos de remediación de este desecho peligroso, que disminuyan su toxicidad y permitan su disposición en el suelo sin la amenaza de contaminación de éste y del agua, al percolar metales pesados cuya facilidad de lixiviación es relativamente elevada. En Lasso, a 15 km al norte de Latacunga, se ubica una planta industrial de reciclaje de chatarra. Esta ubicación busca evitar que los residuos de su operación industrial afecten a las comunidades aledañas a la fábrica, según lo manifiesta un directivo de la empresa. Empero, el polvo de acería que se genera en la planta se xvi dispone como relleno en quebradas de Latacunga (Alvarez, 2010, pp. 5,6), lo cual constituye una práctica inadecuada debido a la probable lixiviación de los metales pesados por el agua de lluvia o por los ácidos generados por los microorganismos presentes en el suelo, ocasionando percolación de los mismos hasta alcanzar el manto freático de la zona. (Sandoval, 2010, p. 4) Adicionalmente, el desecho está expuesto al aire libre, de modo que fácilmente puede ser transportado por el viento hasta la superficie de los suelos cultivables del área. La normativa ambiental vigente en Ecuador controla con severidad las prácticas de la industria siderúrgica, y establece sanciones muy fuertes a las empresas que provoquen daños al entorno. La Constitución política de Ecuador indica, en el artículo 396, que “todo daño al ambiente, además de las sanciones correspondientes, implicará también la obligación de restaurar integralmente los ecosistemas e indemnizar a las personas y comunidades afectadas. Cada uno de los actores de los procesos de producción, distribución, comercialización y uso de bienes o servicios asumirá la responsabilidad directa de prevenir cualquier impacto ambiental, de mitigar y reparar los daños que ha causado, y de mantener un sistema de control ambiental permanente.” (Asamblea Nacional de Ecuador, 2008, pp. 177,178). Por lo tanto, se evidencia la importancia de desarrollar un método técnica y económicamente viable para el procesamiento de los efluentes resultantes del acomodo inadecuado del polvo de acería. Con base en las razones expuestas, el diseño de un sistema de tratamiento de los desechos líquidos generados por la disposición no controlada de polvo de acería sobre suelo agrícola cultivable será de gran interés para solucionar inadecuadas prácticas ambientales de la industria del acero. 1 1 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 1.1 CARACTERÍSTICAS DEL POLVO DE ACERÍA La internalización de la economía mundial promovió el crecimiento y desarrollo del sector siderúrgico, lo que se traduce en un aumento de la tasa de producción de acero, materia prima que requieren las corporaciones de alto valor agregado como la automotriz, petrolera, construcción, entre otras. (Camacho, 2010, p. 167) Sin embargo, Galán y Romero (2008) señalan a la industria del acero como una de las principales fuentes antropogénicas de metales pesados en suelos (p. 50), de modo que además de su importancia en el incremento de la riqueza de un país, es necesario analizar su impacto ambiental negativo en los recursos de éste. Por tal motivo, a continuación se analiza brevemente a uno de los residuos tóxicos y peligrosos resultantes de la producción de acero: el polvo de acería. 1.1.1 MECANISMOS DE FORMACIÓN DEL POLVO DE ACERÍA El acero es una aleación ferrosa, compuesta fundamentalmente por hierro y carbono, que típicamente se produce de dos formas: refinación de minerales de hierro y reciclaje de chatarra del mismo metal. Para el reciclaje de la chatarra de hierro, ésta se introduce en un horno de arco eléctrico, como el que se muestra a continuación en la Figura 1.1. (Askeland, 1998, p. 320) Electrodos de carbono Tapa móvil Chatarra de acero Acero Figura 1.1. Horno de arco eléctrico usado en la fundición de chatarra para la producción de acero (Askeland, 1998, p. 321) 2 Los hornos de arco eléctrico normalmente están provistos de una tapa removible, que permite la alimentación de la chatarra por la parte superior y la descarga del material fundido mediante la inclinación del hogar. Además de la materia prima, se introducen en la unidad sustancias aleantes y fundentes que, debido a la descarga eléctrica que se forma entre los grandes electrodos y que fluye entre el material, funden la carga de metal. Adicionalmente se inyecta oxígeno puro para oxidar al hierro, al silicio y al manganeso. (Groover, 1997, pp. 122-124) A la temperatura del horno, por lo general superior a 1 500 ºC, muchos metales y óxidos se volatilizan, produciéndose gases que se captan a través de un sistema de aspiración de polvo y se conducen hacia un filtro de mangas donde son retenidos y almacenados. Si a la mezcla que se alimenta al horno se adiciona coque, éste reducirá los óxidos a metales, y la elevada temperatura del horno los vaporizará para recogérselos finalmente en el filtro de mangas. (Elias, 2005, p. 578) Las partículas de polvo recogidas en los sistemas de captación de gases resultan de una serie de fenómenos, como lo representa Matías (2009) en la Figura 1.2. Estos fenómenos son: emisiones del baño fundido, transporte de las partículas en el flujo de gas hacia el sistema de extracción, y transformaciones físicas y químicas desarrolladas durante este transporte, siendo los vapores, las gotas líquidas y las partículas sólidas los precursores del polvo de acería. (p. 39) Electrodos de grafito Sistema de extracción de humos Volatilización Desprendimiento directo de partículas sólidas Acero Proyección de gotas Zona de impacto del oxígeno Proyección de gotas en atmósfera oxidante Figura 1.2. Precursores del polvo de acería y mecanismos de formación de este desecho (Madías, 2009, p. 40) 3 Durante la fusión de la chatarra en los hornos de arco eléctrico, las partículas de composición metálica se acompañan de gases procedentes de la combustión de las sustancias de naturaleza orgánica que componen la materia prima, plásticos y aceites por ejemplo. Se estima que el porcentaje de materia orgánica en las chatarras es pequeño, menor a 2 %; sin embargo, debido a la presión interna del horno, gran parte del material orgánico no se oxida y es arrastrado por la corriente gaseosa. Entonces, como el volumen de chatarra que se trata es enorme, las sustancias químicas orgánicas pueden presentar una incidencia significativa en la toxicidad del polvo de acería. (Altadill et al., 2012, pp. 1138,1139) La composición de la carga, la velocidad de fusión, la temperatura del horno y el caudal de oxígeno soplado son factores que determinan la tasa de producción y la composición del polvo de acería. Esta generación varía a través de las distintas etapas del proceso, siendo máxima durante la inyección de oxígeno y un tanto menor durante la fusión. Según la literatura, alrededor del 75 % de las emisiones gaseosas se producen en la primera mitad del proceso, según el esquema que se presenta a continuación en la Figura 1.3, obteniéndose entre 12 y 14 kg de polvo por tonelada de acero. (Altadill et al., 2012, p. 1138) Figura 1.3. Generación de polvo de acería en un horno de arco eléctrico (Altadill et al., 2012, p. 1139) 4 1.1.2 CARACTERIZACIÓN DEL POLVO DE ACERÍA Madías (2009) indica que el polvo de acería procedente de la producción de acero en hornos de arco eléctrico está formado por espinelas del tipo ሺǡ ǡ ሻଶ ଷ y por fases vítreas ricas en óxidos de hierro, silicio, óxidos de calcio y óxido de zinc (p. 39). Elias (2005) complementa esta información señalando que este residuo se constituye de un conjunto de óxidos y metales sin ningún tipo de cohesión entre ellos, como se puede advertir a continuación en la Tabla 1.1, en la que se expone su composición química inorgánica. (p. 579) Tabla 1.1. Composición química y mineralógica media del polvo de acería Componente Contenido (%) Componente Contenido (%) Componente Contenido (%) 0,01 - 0,60 Co 0,001 - 0,002 2,5 - 6,0 ଶ ହ Fe 25 - 50 As 0,003 - 0,080 ଶ 1,5 - 10,0 Zn 2 - 35 Hg 0,0001 - 0,0010 ଶ 1,5 - 1,9 Pb 0,5 - 2 Cl 1,5 - 4,0 ଶ 1,2 - 1,5 Cd 0,01 - 0,10 F 0,01 - 0,90 1-5 Cu 0,01 - 0,40 S 0,1 - 1,0 ଶ ଷ 0,3 - 4,0 Ni 0,02 - 4,00 C 0,5 - 2,0 0,2 - 20,0 V 0,02 - 0,30 ଶ 6 - 16 ଶ ଷ 4 - 17 (Elias, 2005, p. 577) Espinoza (2012, pp. 67-72) y Ricaurte (2013, pp. 53-59) desarrollaron la caracterización física, química y mineralógica del polvo de acería generado en hornos de arco eléctrico de industrias de reciclaje de acero ubicadas en la región de Lasso, Cotopaxi, donde se obtuvo el residuo que se trató en el presente proyecto. Dicha caracterización se presenta más adelante, en la Tabla 1.2. Los autores mencionados en el párrafo anterior procedieron además con la caracterización toxicológica del polvo de acería de sus respectivos proyectos, obteniéndose los resultados mostrados en la Tabla 1.3. En ambos casos, el ensayo se basó en la metodología EPA 1311, y demostró que el polvo de acería es un residuo tóxico, al ser la concentración de cadmio, cromo y plomo en el extracto lixiviado mayor al límite máximo permisible por dicha normativa. 5 Tabla 1.2. Composición química y mineralógica del polvo de acería de plantas de reciclaje de chatarra de la región de Lasso Componente Contenido (%) Espinoza* Ricaurte** Al 1,2 6,5 Ca 1,9 18,5 Fe 18,7 29,1 K 6,2 1,9 Mn 1,7 1,3 Pb 2,1 3,1 Zn 30,0 19,0 Componente Contenido (%) Espinoza* Ricaurte** 39,0 5,0 ଷ ସ 33,5 20,0 ଶ ଷ (maghemita) 11,0 25,0 ଶ ଷ (hematita) 1,0 8,0 – 23,0 ଶ ସ 5,5 – Plagioclasas 2,0 9,0 * (Espinoza, 2012, pp. 67-72) ** (Ricaurte, 2013, pp. 53-59) Tabla 1.3. Caracterización toxicológica del polvo de acería de plantas de reciclaje de chatarra de la región de Lasso Concentración del extracto lixiviado (mg/L) Espinoza* Ricaurte** Límite máximo permisible (mg/L)*** As <0,0001 0,1 5,0 Cd 0,4 5,9 1,0 Cr 5,7 0,1 5,0 Fe – 17,1 30,0 Hg 0,0006 <0,0001 0,2 Ni 0,6 0,1 2,0 Pb 690,0 194,0 5,0 Se <0,1 0,0 1,0 Zn 9 650,0 1 450,0 – Elemento * (Espinoza, 2012, pp. 67-72) ** (Ricaurte, 2013, pp. 53-59) *** (Environmental Protection Agency, 2003, pp. 25-28) Si bien la composición de los residuos de las acerías es muy variable, pues depende de la naturaleza y del contenido de las chatarras fundidas y del proceso de fabricación seguido, se puede manifestar de manera global, con base en la información presentada en las tablas anteriores, que el polvo de acería está formado 6 fundamentalmente por hierro y metales no ferrosos con tamaños de partícula menores a 40 μm. (Elias, 2005, p. 577) Las propiedades físicas, como la distribución del tamaño de partícula, y químicas, especialmente la concentración de metales pesados como plomo, cadmio, cromo y níquel, convierten al polvo de acería en un agente de contaminación ambiental. El marco legislativo europeo lo clasifica como un residuo peligroso (código 10 02 07: residuo sólido de la industria del hierro y del acero procedente del tratamiento de gases), mientras que en Estados Unidos se lo cataloga por las agencias de control medioambientales como un residuo peligroso Clase I (código K061). De ahí que prácticamente todos los hornos de arco eléctrico disponen de sistemas de captación y depuración de gases. (Altadill et al., 2012, pp. 1138-1140) Cuando la chatarra a reciclarse sufre una clasificación previa, el contenido de zinc y plomo en la materia prima, y por tanto en el polvo de acería producto de su fusión, es menor, especialmente respecto a chatarra derivada de galvanizados. Esto es importante porque, de los componentes de este residuo, los óxidos de zinc y plomo son los que proyectan un mayor interés económico. (Elias, 2005, p. 579) Por otro lado, una parte importante de la chatarra que se procesa corresponde a bienes de uso común, automóviles y electrodomésticos por ejemplo, los cuales contienen fragmentos plásticos además de metal. Esto implica que la materia prima puede tener compuestos clorados e hidrocarburos que, al interactuar químicamente, formen hidrocarburos halogenados, hidrocarburos aromáticos policíclicos y otras especies durante la fundición. (Altadill et al., 2012, p. 1139) 1.2 PROBLEMÁTICA AMBIENTAL GENERADA POR LA DISPOSICIÓN NO CONTROLADA DE POLVO DE ACERÍA Las actividades del ser humano impactan sobre la biósfera del planeta, dando lugar a consecuencias, evidentes desde hace algunos años, sobre el suelo, el agua, las especies animales y vegetales y otros componentes del medio natural. Adicionalmente, con el desarrollo tecnológico actual crece la cantidad de productos de 7 desecho y sus efectos adversos. (Prando, 1996, pp. 15,16) Tal es el caso de la industria siderúrgica dedicada al reciclaje de chatarra para la producción de acero, para la cual el polvo de acería es un residuo común que se produce en gran proporción y que se cataloga como un agente de contaminación ambiental tóxico y peligroso. (Elias, 2005, p. 577) Al respecto, Altadill et al. (2012) sugieren que impactos ambientales potenciales derivados de este agente son: (p. 1140) a. Arrastre y dispersión de las partículas de polvo por el viento durante su almacenamiento, transporte o disposición en vertederos. b. Arrastre y dispersión física de las partículas por la lluvia. c. Lixiviación de los componentes del sólido por el agua de lluvia con la consiguiente contaminación de cauces de agua superficial y subterránea. d. Lixiviación de los sólidos presentes en los ríos, cuando éstos se tornan ácidos a causa del polvo de acería. e. Corrimiento y desplomo de vertedores sobre cauces de agua. Dentro de este contexto, Bautista (1999) afirma que debido disposición inadecuada de residuos peligrosos, como es el caso del polvo de acería, muchos elementos pesados se han acumulado en el suelo en formas solubles, rompiendo el equilibrio natural, contaminando acuíferos superficiales y subterráneos, e introduciéndose en la red trófica. Adicionalmente, la oxidación ambiental de los metales expuestos a la intemperie da lugar a la disolución de los mismos y a la acidificación del suelo, mientras que el movimiento del material no consolidado afecta aguas superficiales y subterráneas. (pp. 32,42,43) Thompson y Troeh (1988) complementan esta información indicando que la polución por metales pesados es muy seria, debido a que éstos por lo general persisten en los sistemas naturales durante décadas y a que su eliminación es sumamente difícil a consecuencia de su fuerte retención en los puntos de intercambio del suelo. (p. 626) Thompson y Troeh (1988) aseguran que los metales pesados se acumulan en los puntos de intercambio catiónico del suelo y son bastante difíciles de eliminar. Es así que a causa de la disposición inadecuada de polvo de acería, elementos como el cadmio, cromo, mercurio y plomo se acumulan en el suelo hasta alcanzar niveles tóxicos para las plantas. Asimismo se desarrolla un depósito de zinc, cuyo 8 equivalente (determinado con las concentraciones de zinc, cobre y níquel) no debería sobrepasar el 10 % de la capacidad de cambio de cationes del suelo a fin de no alcanzar niveles peligrosos. (pp. 296,620) De los metales pesados que conforman el polvo de acería y sus lixiviados, el cromo VI es uno de los más tóxicos y peligrosos, además de que se requieren presiones y temperaturas altas para eliminar su poder tóxico al pasarlo a cromo III. El hierro y el manganeso, por su parte, son mutuamente antagonistas, de modo que la demasía de uno da lugar a la falta del otro, mientras que los excedentes de hierro forman compuestos insolubles de fósforo, originando insuficiencias fosfóricas; esto implica que la carencia de nutrientes en el suelo es otro de los efectos de la disposición inadecuada de polvo de acería debido a las especies de hierro. (Bautista, 1999, p. 5; Thompson y Troeh, 1988, p. 627) De manera general, una concentración excesiva de metales pesados en el suelo afecta negativamente al crecimiento y reproducción de los organismos, inhibe la actividad enzimática microbiana, reduce la diversidad de flora y fauna, provoca infertilidad y estimula los procesos erosivos. (Diez, 2008, p. 10) En cuanto a sus efectos sobre la salud humana, elementos como el cadmio, cobre, cromo, mercurio, plomo y zinc implican riesgos graves, los cuales se enumeran más adelante en la Tabla 1.4, pues se unen a las membranas celulares, dificultando los procesos de transporte a través de la pared celular. En este contexto, Manahan (2007) asevera que la mayoría de metales pesados tienen una marcada afinidad por el azufre, perjudicando la formación de enzimas al formar enlaces con los grupos sulfurados de las mismas, por el ácido carboxílico de las proteínas y por lo grupos amino, además de que catalizan la descomposición de los fosfatos (p. 148). Por lo mencionado en el párrafo preliminar, los metales pesados son contaminantes importantes del agua, que ocasionan impactos en la biota acuática además de los riesgos para la salud humana. Por ejemplo, el cobre y el zinc en niveles altos son tóxicos para plantas y algas, el plomo es dañino para la fauna y el manganeso es tóxico para la flora. En el caso del cromo, éste es esencial en su forma reducida (III) y tóxico en su estado oxidado (VI). (Manahan, 2007, pp. 146-148) 9 Tabla 1.4. Riesgos para la salud humana de metales pesados Metal Riesgo para la salud Cadmio Debido a su similitud química con el zinc, lo reemplaza en algunas enzimas, dañando su actividad catalizadora. Afecciones al riñón y de tipo vascular, hipertensión, destrucción del tejido testicular y de los glóbulos rojos, cáncer de próstata, infertilidad, bronquitis. Cromo Cáncer, infección de sangre y leucemia Mercurio Daños neurológicos Plomo Anemia, afecciones al riñón (cáncer o lesiones), al oído y al sistema nervioso central (saturnismo), reducción del período de gestación e hipertensión (García, Solano, Perdomo y Palomino, 2005, p. 77; Manahan, 2007, p. 149) El cadmio y el mercurio son contaminantes comunes del agua debido a la actividad de las industrias siderúrgicas. El primero precipita como sulfuro en aguas subterráneas, a consecuencia de la reducción microbiana de los sulfatos, mientras que en aguas superficiales se desarrolla una desorción del elemento desde los sedimentos y su posterior absorción por los materiales sólidos en suspensión. El segundo forma en el agua metilmercurio soluble y dimetilmercurio volátil, debido a la actividad de las bacterias presentes en los sedimentos, y así se incorpora en el tejido graso de la piel de los peces. (Manahan, 2007, pp. 148-152) El principal peligro asociado con la liberación de metales pesados en el medio terrestre incluye su ingestión, inhalación, asimilación por parte de los cultivos y contaminación del agua. Por lo tanto, al ser la difusión de los metales pesados un fenómeno que afecta a los recursos suelo y agua, la disposición inadecuada de residuos sólidos con un alto contenido de esta clase de metales es un tema relevante para el ser humano. E incluso cuando estos desechos no son dispuestos directamente sobre el suelo, la deposición atmosférica de polvo de acería representa una fuente de metales pesados. (Diez, 2008, p. 13; Ramos, 2002, p. 25) Altadill et al. (2012) estiman que la generación mundial de polvo de acería en hornos de arco eléctrico es 3,7 millones de toneladas anuales, de las cuales entre 500 y 900 mil toneladas les corresponden a las plantas europeas. Frente a este panorama, tanto Estados Unidos como la mayoría de países europeos se vieron en la necesidad de depositar controladamente el polvo de acería en vertederos especiales o de enviar este desecho a plantas de tratamiento. (pp. 1138-1140) 10 Afortunadamente la relación entre desarrollo industrial y protección del medio ambiente está cambiando de manera sustancial, pues la lucha contra la contaminación está obligatoriamente presente en la inversión y, en consecuencia, en el uso de los recursos naturales públicos (aire, agua, suelo). Sin embargo, muchas industrias operan aún bajo conceptos de la economía clásica, usando gratuitamente los bienes naturales públicos y percibiendo a la polución derivada de un agente como un efecto negativo propio de la actividad de dicho agente que no debería reflejarse en sus costos internos. (Prando, 1996, pp. 16-18) El suelo es un recurso natural en contacto e interacción con el aire y el agua que lo rodean, constituyendo el sustrato para el desarrollo de los vegetales y permitiendo el sustento de los seres vivos. Además, es el soporte de las actividades antrópicas y el destino de disposición de sus desechos, especialmente sólidos. De ahí que su deterioro sea consecuencia de la acción de agentes contaminantes resultantes de la acción del hombre, en magnitudes variables según el tipo de suelo y de contaminante, la composición original, las prácticas agrícolas, las vías de transferencia, etcétera. (Prando, 1996, pp. 63,64; Ramos, 2002, p. 25) El agua, por su parte, es el compuesto más importante de la vida, ya que permitió su aparición y evolución y forma parte de todos los seres bióticos. Migra constantemente en todos los estratos de la Tierra a través de procesos de evaporación, condensación e infiltración, los cuales constituyen el ciclo hidrológico. La lluvia es la principal fuente de abastecimiento de agua, pues conforma arroyos y ríos en forma de agua superficial o penetra en el suelo para ser tomada por la vegetación o convertirse en agua subterránea. Sin embargo, debido a las actividades antrópicas, parte de estas precipitaciones se contaminan con gases y partículas de la atmósfera y con sustancias disueltas en el suelo, muchas de ellas provenientes de los residuos de la sociedad humana. (Prando, 1996, pp. 41-43) En este punto se evidencia la importancia de las características del suelo y del agua asociada a este sistema para entender la problemática generada por la disposición no controlada de polvo de acería. Por esta causa seguidamente se desarrolla un estudio de las características del suelo y del agua dentro del suelo. 11 1.2.1 CARACTERÍSTICAS DEL SUELO Juan Cepeda (1991) describe al suelo como un “sistema complejo constituido por partículas sólidas orgánicas e inorgánicas, aire, agua y microorganismos” que interactúan física y químicamente por medio de reacciones químicas, muchas catalizadas por los microorganismos. (p. 7) Las partículas sólidas tienen diferentes formas, tamaños y distribuciones, componiéndose distintos poros que pueden estar llenos de aire o de la solución del suelo. (Narro, 1994, p. 15) El suelo resulta de la mezcla de minerales y materiales orgánicos bajo la influencia del clima, la meteorización y el medio biológico. Respecto al clima, éste es el principal factor que determina la formación del suelo, pues influye en la precipitación y la temperatura. La precipitación a su vez define la humedad del aire y del suelo y las tendencias predominantes en la composición química de éste último; por ejemplo, percolaciones excesivas darán lugar a lixiviaciones abundantes de metales alcalinos y alcalinotérreos (Na, K, Ca y Mg) y desplazamiento de silicatos y óxidos de hierro y aluminio en casos extremos. (Cepeda, 1991, pp. 11,14) El suelo, además de desempeñar diversas funciones en beneficio de las plantas (anclaje y suministro de nutrientes, entre otras), aporta las materias primas utilizadas en industrias como la farmacéutica, minera, construcción, etc. Además, datos como la composición, las propiedades y las reacciones químicas que se desarrollan en este sistema sirven como base para el desarrollo agrícola, ganadero y forestal. De ahí que su estudio es sumamente importante. (Narro, 1994, pp. 7-13) 1.2.1.1 Composición del suelo El suelo está formado por material mineral, material orgánico, solución del suelo y atmósfera del suelo. La porción inorgánica en principio presenta la misma composición elemental que las rocas que conforman la corteza terrestre, la cual, como se advierte a continuación en la Tabla 1.5, se constituye de alrededor de 75 % de oxígeno y silicio y una pequeña concentración de elementos importantes para el crecimiento de plantas y animales. (Cepeda, 1991, pp. 11,17) 12 Tabla 1.5. Composición elemental de la corteza terrestre Elemento Concentración (%) Si 27,7 Al 8,1 Fe 5,0 Ca 3,6 Na 2,8 K 2,6 Mg 2,1 (Cepeda, 1991, p. 17) En el suelo, la fuente original de elementos químicos le corresponde a los minerales primarios, los cuales se han derivado de rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas sin que sus propiedades químicas se hayan alterado significativamente. Se definen como minerales secundarios a aquellos que resultan de la acción de agentes físicos, químicos y biológicos sobre minerales primarios, constituyendo, junto con la materia orgánica, la fracción más activa. (Cepeda, 1991, pp. 19,26) Los elementos químicos en el suelo pueden presentarse como elementos estructurales de los minerales, como iones intercambiables o como iones en solución. En la corteza terrestre, gran parte de los elementos existen como minerales, cuya concentración determina el nivel de fertilidad del suelo. Los suelos jóvenes se encuentran compuestos fundamentalmente de silicatos, una clase mineral que a su vez se divide en seis grupos, entre éstos los inosilicatos, los tectosilicatos y los filosilicatos, los cuales, debido a su presencia en el suelo ensayado en este proyecto, se describen a continuación. (Adams, 1995, p. 9; Cepeda, 1991, p. 17) Los inosilicatos se integran de pares de cadenas paralelas unidas por cationes alojados en los espacios octaédricos existentes entre ellas, siendo fuente de varios nutrientes esenciales para las plantas, los cuales se liberan por meteorización. Los tectosilicatos, por su parte, se forman de tetraedros unidos entre sí por todos sus vértices, constituyendo un entramado amplio con espacios relativamente grandes donde pueden alojarse moléculas de agua y otras impurezas que no se retienen por enlaces iónicos debido a la falta de cargas eléctricas libres en la 13 estructura del silicio. En cuanto a los filosilicatos, éstos se componen de hojas unidas débilmente entre sí y que a su vez se conforman de capas tetraédricas y octaédricas, las primeras ligeramente expansionadas para alojar elementos como aluminio, magnesio y hierro. (Cepeda, 1991, pp. 22-25) La caolinita es el filosilicato más sencillo, integrado por hojas neutras, excepto en los enlaces rotos de los bordes del cristal, mismos que le proporcionan al mineral cargas eléctricas que le permiten almacenar nutrientes en el suelo. Sin embargo, todas las cargas en la hoja se hallan equilibradas, de modo que no existen enlaces iónicos libres que mantengan unidas a las hojas adyacentes; más bien, los cristales se mantienen juntos debido a puentes de hidrógeno con una intensidad suficiente como para que ni el agua ni iones foráneos penetren entre las estructuras. Por eso la caolinita es una arcilla no expandible, con escasa o nula tendencia a hincharse en estado húmedo y a contraerse en estado seco. Asimismo, posee una exigua capacidad de intercambio iónico, una alta capacidad para fijar fósforo y una baja capacidad de fijación de potasio y amonio, y favorece la rápida lixiviación de calcio, magnesio, potasio y sodio. (Núñez, 1985, pp. 49-51) Los minerales se encuentran altamente oxidados en suelos con una buena aireación, pues ésta permite un adecuado intercambio de oxígeno y dióxido de carbono entre el aire del suelo y de la tropósfera. Esto es importante porque a bajas concentraciones de oxígeno prevalece la descomposición anaeróbica de la materia orgánica, produciéndose ácido sulfhídrico, metano e hidrógeno; mientras que el dióxido de carbono se combina con el agua para producir ácido carbónico, el cual aumenta la solubilidad de muchos minerales. (Narro, 1994, pp. 127,131,132) La presencia de capas poco permeables o la formación de costras en la superficie del suelo dan lugar a suelos pobremente drenados y, en consecuencia, a una aireación deficiente. Las costras por lo general se forman debido a la dispersión de los coloides y agregados del suelo, a la sedimentación rápida de las partículas gruesas o a la sedimentación lenta de las partículas finas. (Narro, 1994, p. 132) La fracción orgánica del suelo regula los procesos químicos que allí ocurren, influye sobre sus características y es el centro de gran parte de actividades biológicas. 14 Se compone de una numerosa población de organismos vegetales y animales de distintos tamaños, vivos o muertos, en diferentes estados de alteración. Su porción más estable se denomina humus, el cual resulta de la descomposición del material animal y vegetal y de la síntesis de sustancias orgánicas, y cuya degradación da lugar a una liberación lenta y continuada de nutrientes. Así, el humus presenta un equilibrio dinámico, pues a medida que se introducen restos orgánicos, los existentes se oxidan parcialmente. (Kass, 1998, pp. 95,96) Según Cepeda (1991), el estudio de la química de un suelo centra su interés en las partículas coloidales del mismo, dado que las porciones más activas de este sistema son las que se hallan en estado coloidal. En cuanto a la materia coloide, existen dos tipos: orgánica, representada por el humus, e inorgánica, representada por las arcillas; mientras que respecto al sistema coloidal, éste se conforma de una fase dispersa, correspondiente a las partículas sólidas orgánicas e inorgánicas, y una fase dispersante, correspondiente a la solución del suelo, cuyo estudio se desarrollará más adelante. (pp. 65,67) Una fracción significativa de las formas microscópicas vivas del suelo es capaz de alcanzar tasas metabólicas elevadas. La descomposición es una función propia de los organismos del suelo, de modo que ningún material escapa de ella, ya sea que se trate de sustancias animales o vegetales, fertilizantes, insecticidas, pesticidas e incluso objetos metálicos; lógicamente, los insecticidas y pesticidas deben ser fácilmente degradables para evitar la contaminación del suelo. La extracción de agua es otra función que cumple la vida animal y vegetal del suelo, gracias a la cual los nutrientes arrastrados por la percolación hacia zonas más profundas son devueltos a la superficie. (Kass, 1998, p. 96) Otros servicios importantes que cumple la materia orgánica son, según Cepeda (1991, pp. 46,47): a. Suministro de elementos nutritivos por la mineralización, especialmente la liberación de nitrógeno, fósforo, azufre y micronutrientes. b. Compensación contra cambios químicos rápidos en el pH. c. Depósito de elementos químicos importantes para las plantas, como nitrógeno, fósforo, azufre y otros nutrientes, además de hormonas y antibióticos. d. Actuación directa sobre los fenómenos de adsorción. 15 e. Regulación de los niveles de disponibilidad de nutrientes mediante la formación de quelatos, que son sustancias orgánicas solubles, no iónicas, con cationes de valencia variable. Además, los ácidos orgánicos del suelo influyen en la solubilización y movilización de los componentes inorgánicos. f. Uso más eficiente del agua, pues la presencia de la materia orgánica: i. Mejora la infiltración del agua y reduce su pérdida por evaporación. ii. Mejora el drenaje del suelo y la distribución del agua en el perfil del suelo. iii. Beneficia la aireación en el suelo. En cuanto a los elementos traza presentes en los suelos, Galán y Romero (2008) indican que normalmente la concentración de los metales cromo, níquel, plomo y zinc varía entre 1 y 1 500 mg/kg, la concentración de cobalto, cobre y arsénico está entre 0,1 y 250 mg/kg, y la proporción de cadmio y mercurio oscila entre 0,01 y 2 mg/kg. Los elementos antimonio, arsénico, bismuto, cadmio, cobalto, cobre, mercurio, níquel, plomo, paladio, plata, platino, selenio, estaño, teluro, talio y zinc se consideran muy tóxicos y sobrepasan fácilmente los niveles de toxicidad; de éstos, el antimonio, arsénico, cadmio, cobre, mercurio, níquel, plomo, estaño y talio se incorporan al suelo debido a las actividades antropogénicas antes que a causa de los procesos geológicos. (p. 49) Tabla 1.6. Concentraciones normales y anómalas de elementos traza en suelos Elemento Concentración normal (mg/kg) Concentración anómala (mg/kg) Arsénico <40 2 500 Cadmio <2 30 2 - 60 2 000 <5 1 - 100 Níquel 2 - 100 8 000 Plomo 10 - 150 >10 000 Selenio <2 500 25 - 200 >10 000 Cobre Molibdeno Zinc (Galán y Romero, 2008, p. 49) De los elementos pesados heredados por un suelo a partir de la roca madre, el cromo, manganeso y níquel cubren la mayor proporción; el cobalto, cobre, zinc y 16 plomo se obtienen en menor cantidad, y el arsénico, cadmio y mercurio se transfieren en una concentración mínima; siendo normalmente la concentración de los elementos heredados de la roca madre ínfima frente a la resultante de las actividades antropogénicas. Sin embargo, la concentración de los metales acumulados en la superficie del suelo se reduce lentamente debido a los procesos de lixiviación, erosión y deflación. Asimismo, la materia orgánica reacciona con los metales para formar complejos, de modo que muchos pueden estabilizarse y otros se tornan fácilmente degradables por los microorganismos. (Galán y Romero, 2008, p. 50; Puga, Sosa, Lebgue, Quintana y Campos, 2006, p. 149) 1.2.1.2 Propiedades físicas y químicas del suelo Un suelo es un complejo sistema en el que se identifican una fase sólida, una líquida y una gaseosa, con propiedades físicas y químicas marcadamente diferentes entre sí, aunque uniformes dentro de cada fase. (Narro, 1994, p. 17) 1.2.1.2.1 Tamaño de partícula El tamaño de las partículas es la propiedad más permanente de los suelos. Las partículas que miden más de 2 mm, las cuales se consideran grandes, responden por lo general a fracciones de arena y limo, mientras que las partículas menores a 2 mm pueden corresponder a arena, limo o arcilla. (FitzPatrick, 1996, p. 106) 1.2.1.2.2 Densidad La densidad real de los suelos minerales está entre 2,6 y 2,8 g/cm³, valor que en los suelos orgánicos disminuye a medida que incrementa la proporción de materia orgánica, cuya densidad es 1,3 g/cm³. En cuanto a la densidad aparente, ésta presenta valores entre 1,0 y 1,6 g/cm³ para los suelos de textura fina y entre 1,2 y 1,8 g/cm³ para los suelos de textura gruesa, y varía con el contenido de arcilla y humedad del suelo. (Soriano, Sancho, Verdú, Giner y Pons, 2004, pp. 59,60) 17 1.2.1.2.3 Porosidad La distribución del espacio poroso en el suelo es importante para el movimiento y retención del agua. Los poros mayores a 10 µm transportan agua, los poros entre 0,2 y 10 µm retienen el agua disponible y los poros menores a 0,2 µm retienen el agua no disponible, de modo que suelos muy porosos permiten la percolación del exceso de agua. (FitzPatrick, 1996, pp. 112,113) Soriano et al. (2004) reportan que la mayoría de suelos presentan una porosidad entre 30 % y 60 %, siendo mayor para los suelos de textura fina respecto a los de textura gruesa. (p. 61) 1.2.1.2.4 pH La concentración de iones hidronio en la suspensión acuosa de un suelo define su pH, cuyo valor depende de diversos factores, entre los que se encuentran el horizonte analizado, la estación del año y el contenido de agua el momento del muestreo y la técnica de determinación de pH usada, además de las variables que participan en la formación del suelo. La mayoría de suelos presentan un pH entre 4 y 8, teniéndose distintos términos para clasificarlo en función de este valor, mismos que se presentan más adelante en la Tabla 1.7. (Cepeda, 1991, pp. 107-109) Tabla 1.7. Términos usados para describir un suelo en función de su pH Nomenclatura Excesivamente ácido Intervalo de pH <4 Fuertemente ácido 4-5 Ligeramente ácido 5-6 Neutro 6-8 Ligeramente alcalino 8-9 Fuertemente alcalino 9 - 10 Excesivamente alcalino >10 (Cepeda, 1991, p. 109) Los lavados eliminan las bases del suelo, lo cual generalmente provoca un descenso del pH. Las fases sólida y líquida de este sistema pueden obstaculizar el 18 cambio brusco de la acidez o la alcalinidad de la solución del suelo dependiendo de su contenido de partículas coloidales rodeadas de iones de intercambio. Así, la solución del suelo de suelos ricos en materia orgánica y partículas arcillosas coloidales tiende a mantener un pH constante. (Cepeda, 1991, pp. 108-112) Un suelo se convierte en ácido cuando el agua de percolación es suficiente como para arrastrar sales solubles, especialmente de calcio y magnesio, fuera de los horizontes superficiales. En cambio, cuando el agua de percolación no es capaz de eliminar los productos básicos, el suelo se torna alcalino. En los suelos neutros y básicos, distinguidos por su alto contenido de calcio, éste puede perderse por lixiviación, erosión o extracción. (Thompson y Troeh, 1988, p. 230) La carga total de las partículas del suelo depende del pH y del medio iónico en el que los coloides se formaron. De ahí que la mayoría de suelos tienen carga neta negativa, pues tanto la materia orgánica como los silicatos presentan dicha carga. Asimismo, la acidez o alcalinidad del suelo depende del equilibrio entre los aniones y los cationes (especialmente calcio, magnesio, potasio y sodio), a los cuales por lo general se los denomina bases debido a que en el sistema existen suficientes iones hidroxilo como para alcalinizarlo cuando las especies positivas exceden a las negativas. En cambio, cuando las cargas negativas exceden a las positivas, las primeras se equilibran con los iones hidronio y aluminio, acidificando el sistema. (Cepeda, 1991, pp. 73,106; Kass, 1998, p. 95) FitzPatrick (1996) complementa esta información indicando que la capacidad de intercambio catiónico del suelo aumenta con el pH (p. 130). En la mayor parte de suelos minerales la acidez reside en la fracción de arcilla, a la vez que suelos ricos en humus deben su acidez a este componente. Mientras las cargas negativas de las arcillas estén neutralizadas con cationes, el suelo exhibirá escasa acidez, pero cuando los iones básicos se pierdan por lixiviación y se sustituyan por iones hidronio, aumentará la acidez del sistema. Sin embargo, los suelos minerales contienen una pequeña cantidad de ion hidronio intercambiable, de modo que es el ion aluminio el responsable de la acidez. Únicamente en suelos ácidos con un alto contenido de materia orgánica se encuentra una concentración considerable de hidrógeno intercambiable. (Núñez, 1985, pp. 234,236-238) 19 La acidez de cambio en los suelos minerales muy ácidos se debe al aluminio en el complejo absorbente, el cual pasa a la solución del suelo debido a fenómenos de hidrólisis, estableciéndose un equilibrio en cuanto a la concentración de este elemento en las fases sólida y líquida. Otros cationes que favorecen la acidez de un suelo son el hierro, el manganeso y el zinc intercambiables, pues interactúan con los iones hidroxilo para formar compuestos insolubles. (Cepeda, 1991, p. 117) Respecto a los suelos alcalinos, las deficiencias de hierro son frecuentes (debido a la escasa solubilidad de este elemento a pH elevado), mientras que las sales y los cationes de sodio intercambiables suelen presentarse en exceso. Cuando la precipitación es limitada, la concentración de sales tiende a aumentar, pues el agua de las capas freáticas las transporta por capilaridad hasta los horizontes superficiales del suelo. De ahí que cuando hay poca lluvia, se desarrolla una tendencia hacia la acumulación de sales solubles cerca de la superficie; aunque durante las temporadas de lluvia dichas sales pueden desplazarse hacia las capas inferiores del suelo, regresando nuevamente a la superficie luego de la estación lluviosa. (Cepeda, 1991, pp. 138-140,145; Doménech, 1995, p. 145) Cuando las aguas de riesgo presentan un elevado contenido de sales, tienden a formarse suelos salinos. En este caso, el caudal debe ser lo suficientemente grande como para disolver y arrastrar las sales acumuladas al sistema de drenaje. Asimismo, la presencia de sales provoca un aumento de la presión osmótica que se suma a la tensión del agua en el suelo, de modo que la capacidad de retención de agua útil de suelos salinos es más baja. (Cepeda, 1991, p. 146) 1.2.1.2.5 Conductividad Además del pH, la conductividad eléctrica es una propiedad que representa la salinidad de un suelo, debido a su relación con la concentración de iones en disolución. Cuando un suelo se clasifica como salino (ligera, fuerte o extremadamente), en función de los intervalos de conductividad expuestos a continuación en la Tabla 1.8, se lo puede rehabilitar regándolo con una cantidad de agua suficiente como para lixiviar las sales en exceso. (Doménech, 1995, pp. 106,107) 20 Tabla 1.8. Términos usados para describir un suelo en función de su conductividad Nomenclatura Intervalo de conductividad (μS/cm) Normal <2 000 Ligeramente salino 2 000 - 4 000 Salino 4 000 - 8 000 Fuertemente salino 8 000 - 16 000 Extremadamente salino (Miliarium Aureum, 2004, p. 5) 16 000 1.2.1.2.6 Textura El contenido de partículas minerales y de materia orgánica determinan la textura de un suelo, una propiedad que influye en las propiedades físicas y en el comportamiento del sistema en su estado natural. Suelos arenosos presentan una capacidad retentiva de agua muy baja, a diferencia de las arcillas, las cuales tienen una capacidad retentiva muy buena pero se mojan con facilidad; los suelos limosos, por su parte, se desgastan rápidamente. (FitzPatrick, 1996, p. 106) 1.2.1.3 Procesos que se desarrollan en el sistema suelo Como se indicó al inicio de esta sección, el suelo es un sistema dinámico en el que suceden diversos procesos de naturaleza química, física y biológica. En consecuencia, la mineralogía, la química de los coloides y la microbiología del suelo complementan la información que describe la interacción entre los elementos de este sistema: partículas sólidas orgánicas e inorgánicas, aire, agua y microorganismos. (Cepeda, 1991, pp. 7-9; Narro, 1994, pp. 144-146) 1.2.1.3.1 Procesos físicos En cuanto a los procesos físicos que se desarrollan en el suelo, éste es un sistema conformado por partículas sólidas de gran área superficial, de modo que se 21 favorecen fenómenos relacionados con la actividad interfacial como: intercambio iónico, adsorción, adhesión, capilaridad, agregación y dispersión, expansión y contracción, entre otros. (Narro, 1994, pp. 15,16) FitzPatrick (1996) completa esta información indicando que los principales procesos físicos que se efectúan en el suelo son: (pp. 78-80) a. Agregación: Agrupación de las partículas. b. Translocación: Transporte de material disuelto acarreado por el agua que se filtra a través del suelo, permitiendo que las partes más bajas se enriquezcan con las sustancias solubles. Asimismo, las partículas finas y las sustancias coloidales se desplazan a lo largo del suelo en suspensión. c. Expansión y contracción: Variación en el volumen ocupado por las partículas debido al humedecimiento o al secado, la cual se manifiesta especialmente en sistemas con un alto contenido de arcillas. 1.2.1.3.2 Meteorización La meteorización es un proceso natural de agotamiento y transformación de los componentes minerales del suelo debido al ataque de fuerzas erosivas que resultan de procesos mecánicos o químicos. Por esto, con el transcurso del tiempo, los constituyentes del suelo (aire, agua y materia orgánica) reaccionan entre sí, marcando un cambio progresivo en su composición. (Cepeda, 1991, pp. 27,28) Según Doménech (1995), la disgregación mecánica de las rocas produce partículas pequeñas de gran superficie específica, favoreciendo el desarrollo de diversas transformaciones químicas. Estos procesos permiten la movilización de los elementos químicos y la obtención de compuestos de distinta solubilidad en el medio acuoso. Entonces la meteorización química surge como resultado de la exposición del mineral a los efectos agresivos del agua, oxígeno y dióxido de carbono, siendo la acidez una propiedad importante para su aceleración. (pp. 18-21) El enlace entre el silicio y el oxígeno es el más fuerte de entre los enlaces metal oxígeno, de modo que el sistema se irá enriqueciendo en estos dos elementos a 22 medida que transcurra la meteorización. (Doménech, 1995, p. 21) Los cationes grandes, que pueden disolverse y eliminarse gradualmente, constituyen una debilidad estructural que hace que los feldespatos se meteorizen más rápidamente que el cuarzo; tal es el caso del aluminio, cuya presencia en posiciones tetraédricas debilita la estructura de los feldespatos. La secuencia de meteorización en micas y minerales secundarios va de una mayor a una menor neutralización de la carga en las hojas por los iones externos y de una menor a una mayor inclusión de agua o de iones hidroxilo en la estructura. Tres minerales extremadamente insolubles son la gibsita (hidróxido de aluminio), la hematita (óxido férrico) y la anatasa (óxido de titanio). (Cepeda, 1991, pp. 27,28) Los mecanismos de meteorización química son: disolución, hidratación, hidrólisis, carbonatación y oxidación, los cuales se describen más adelante. Es por esto que los materiales que contienen una concentración alta de metales pesados constituyen un peligro para el suelo, ya que éstos pueden ser incorporados a los suelos y a las aguas mediante procesos de meteorización. (Diez, 2008, p. 101) 1.2.1.3.3 Procesos químicos Cepeda (1991) cita como los principiales procesos químicos que se desarrollan en el sistema suelo a los siguientes: (pp. 30-32,113-115) a. Oxidación: Cambio químico con el que se aumenta el estado de oxidación de determinados elementos por medio de ajustes iónicos. Si el elemento que se oxida forma parte de una red cristalina, ésta se torna menos estable, facilitándose la desintegración y la descomposición. Doménech (1995) manifiesta que los silicatos con hierro son susceptibles a procesos oxidativos. (p. 25) b. Reducción: Cambio químico con el que se reduce el estado de oxidación de una especie. Generalmente se desarrolla en un ambiente anaerobio; por ejemplo, el nitrógeno en forma de amoniaco o nitrato se reduce a anhídrido hiponitroso o nitrógeno en condiciones anaeróbicas. c. Hidrólisis: Descomposición de los minerales afectados por la acción solvente del agua. El hidrógeno del agua tiende a intercambiarse con cationes de mu- 23 chos minerales, especialmente con elementos fuertemente básicos como potasio, calcio y magnesio. El potasio separado por esta reacción es soluble y puede ser absorbido por el suelo coloidal o desalojado en el agua de drenaje. d. Hidratación: Integración de los iones hidronio e hidroxilo a la red cristalina de los minerales, afectando principalmente a los óxidos de hierro y aluminio según lo reconoce FitzPatrick (1996, p. 71). e. Disolución: Acción disolvente del agua y de los iones que arrastra. Generalmente los metales alcalinos sodio, potasio, calcio y magnesio son los más rápidamente solubilizados, mientras que metales como el hierro, el silicio y el aluminio tienen una disolución lenta. Doménech (1995) complementa esta información indicando que la disolución del cuarzo permite una acidificación, ya que se desarrolla la siguiente reacción química: (p. 23) f. ା ଶ ሺୱሻ ʹଶ ՜ ସ ସ ሺୟୡሻ ՜ ሺୟୡሻ ଷ ି ସ [ 1.1 ] Acidificación: Reacción del ion hidronio presente en las aguas de percolación con los minerales del suelo, especialmente arcillas. Estos iones además aceleran la desintegración y descomposición de varios minerales como la calcita, la cual se solubiliza químicamente en la piedra caliza. El efecto lixiviador es importante en la creación de acidez en un suelo, debido al lavado de las bases por el agua de percolación. Doménech (1995) menciona que el pH del suelo varía a medida que se desarrollan procesos de meteorización, efectuándose en primer lugar un aumento del pH, para posteriormente acidificarse y tender hacia la neutralidad. Las precipitaciones ácidas son otro de los factores por los que el suelo se acidifica, pues pueden incorporarse iones ácidos como el ion férrico. (pp. 90,91) 1.2.1.3.4 Intercambio iónico Los fenómenos de intercambio iónico entre las fases sólida y líquida del suelo dependen de las propiedades de la fracción coloidal, la arcilla y la materia orgánica específicamente, y de la composición de la carga. Normalmente, los suelos pre- 24 sentan los siguientes cationes intercambiables: calcio, magnesio, potasio, sodio, amonio e hidrógeno, siendo por lo general el calcio el más abundante. Asimismo, los aniones intercambiables más comunes son: cloruros, sulfatos, nitratos, fosfatos, bicarbonatos y otros procedentes del ácido húmico. (Cepeda, 1991, p. 89) En cuanto al intercambio iónico, las propiedades con mayor influencia sobre la reactividad del suelo son el área superficial y la carga de la superficie de las partículas, que resulta de sustituciones isomórficas o de la ionización de grupos funcionales. Las partículas de coloides se presentan como cristales relativamente grandes e insolubles, rodeados de varios cationes intercambiables, especialmente calcio, magnesio, potasio y sodio; en el caso de las arcillas, estos cristales pueden tener una carga neta negativa y funcionar como ácidos. (Kass, 1998, p. 75) Las sustancias coloidales pueden ser hidrofóbicas o hidrofílicas. Los coloides hidrofóbicos están envueltos con una capa gruesa de agua, la cual les proporciona alta estabilidad e impide su coagulación, mientras que las especies hidrófobas se cubren por una delgada lámina de agua y coagulan con concentraciones pequeñas de electrolitos. Dentro de la primera clasificación se hallan las arcillas, mientras que los componentes del humus, especialmente el ácido húmico, corresponden a coloides hidrofílicos. (Besoain, 1985, p. 154; Cepeda, 1991, p. 70) La intensidad de la fuerza de atracción entre un catión y las partículas coloidales depende de la carga del catión, de la densidad de la carga sobre la partícula y de la distancia entre ellos. El agua de hidratación que acompaña al ion limita la aproximación del catión, y su tamaño crece con el valor de la carga del ion, de modo que la secuencia de absorción preferente en los sitios de intercambio es como sigue: aluminio, calcio, magnesio, potasio, amonio y sodio. (Cepeda, 1991, p. 82) La tendencia de los iones a flocular o dispersar las partículas de arcilla está definida por la absorción preferente mencionada en el párrafo anterior. La coagulación o floculación de los coloides se observa cuando las partículas reaccionan con los iones hidronio o con los cationes potasio, sodio, calcio y magnesio, siendo los dos últimos los que tienen la mayor facilidad de entrar en contacto con los coloides, intensificando así el efecto de floculación. Sin embargo, cuando las molécu- 25 las están cubiertas de una capa gruesa de agua, ésta impide la floculación, de modo que el calcio y el magnesio influenciarán más en la floculación de los coloides de arcillas que en los coloides del humus. Asimismo, los iones aluminio y calcio inducen la floculación, mientras que el magnesio, potasio, amonio y sodio son considerados agentes dispersantes. (Cepeda, 1991, pp. 70,82) Entre los cationes absorbidos sobre las superficies cargadas y los cationes de la solución del suelo se desarrolla un intercambio de iones, fenómeno que domina toda la química del suelo. La concentración de los cationes absorbidos determina la estabilidad de los iones disueltos, desarrollándose un equilibrio entre los sitios de intercambio y la solución del suelo. Cuando los elementos no son retenidos o absorbidos por las partículas y coloides del suelo, éstos pueden ser lavados por las aguas atmosféricas y perdidos por lixiviación. (FitzPatrick, 1996, pp. 70-72) Doménech (1995) señala que la alta superficie específica de las partículas de arcilla permite que éstas intercambien iones con la solución del suelo, manifestando una buena capacidad de retención, una fácil compactación y en consecuencia una baja capacidad de infiltración (p. 31). De ahí que Cepeda (1991) afirme que cuanto mayor es la concentración de arcilla en un suelo, mayor es su capacidad de intercambio de cationes. En suelos neutros, el calcio predomina como elemento intercambiable, mientras que en suelos salinos y alcalinos el elemento intercambiable más importante es el sodio. Asimismo, pese a que la capacidad de retención de aniones de un suelo es menor que su capacidad de retención de cationes, los suelos ricos en materia orgánica pueden absorber cantidades pequeñas de aniones en forma intercambiable. (p. 95) La capacidad de cambio de la mayoría de aniones y cationes se origina en los bordes de los cristales de arcilla. Según Cepeda (1991), este fenómeno es el responsable de la capacidad de cambio de la caolinita. Sin embargo, el pH determina las cargas positivas y negativas en los bordes de los cristales de arcilla, de modo que si su valor es bajo, la capacidad de cambio aniónico aumenta, mientras que si es alto, es la capacidad de cambio catiónico la que crece. (pp. 102,103) Conforme a FitzPatrick (1996), tanto las arcillas como el humus generalmente tienen una alta capacidad de intercambio catiónico. (p. 126) 26 1.2.1.3.5 Absorción Cepeda (1991) indica que las partículas pueden ser absorbidas en el suelo mediante los mecanismos que se describen a continuación: (pp. 77-81) a. Absorción mecánica: Retención de las partículas del agua a filtrarse en los poros del suelo. La cualidad de absorber mecánicamente las partículas es facultad de las arcillas, de la materia húmica y de la materia orgánica muerta. b. Absorción biológica: Capacidad de las plantas y los microorganismos para absorber sustancias minerales y orgánicas, reteniéndolas un tiempo indefinido. La absorción biológica de los nitratos protege a los suelos de la lixiviación. c. Absorción química: Paso de las sustancias solubles de la solución del suelo a la fase sólida del suelo en forma de sales poco solubles; por ejemplo, los iones de ácido ortofosfórico interactúan con el calcio, magnesio, hierro, aluminio, entre otros, para formar fosfatos saturados poco solubles que se absorben en el sólido. Depende del pH del medio y de la solubilidad de los componentes formados por los distintos iones. d. Absorción física: Absorción debida a los sistemas coloidales, y dependiente del área superficial de los mismos. e. Absorción fisicoquímica: Los elementos formados a partir de la desintegración de los minerales pasan a la solución del suelo dando lugar a combinaciones fisicoquímicas entre las fases sólida y líquida del suelo. Así, una fracción de las sustancias disueltas en la solución son absorbidas por el complejo arcilla - humus, permitiendo el paso de los elementos de la fase sólida a la líquida. Por lo tanto, este tipo de absorción implica absorciones físicas de las sustancias y reacciones de intercambio entre los iones absorbidos por la parte sólida y los disueltos en la fase líquida. El lavado elimina el exceso de sales solubles. Sin embargo, cuando las sustancias son absorbidas por coloides, esta eliminación es mucho más lenta, pues debe desarrollarse un intercambio de iones. Con el lavado de un suelo, éste se acidifica, pues los cationes básicos se intercambian por hidronios procedentes de la disolución del dióxido de carbono en el agua, el cual a su vez resulta de la descomposición de la materia orgánica. (Cepeda, 1991, p. 81; Kass, 1998, p. 11) 27 1.2.1.3.6 Procesos microbiológicos La descomposición de la materia orgánica y la transformación del nitrógeno son los procesos biológicos más importantes que se desarrollan en el suelo, siendo trascendental la contribución de los microrganismos. (FitzPatrick, 1996, p. 82) A medida que se desarrolla la actividad de los microorganismos del suelo, aparecen compuestos de carbono, nitrógeno, azufre y fósforo, además de agua, oxígeno, hidrógeno, iones hidronio e hidroxilo, potasio, calcio, magnesio, entre otros. En suelos húmedos, algunos microorganismos anaeróbicos producen sustancias volátiles, por ejemplo nitrógeno gaseoso, sulfuro de hidrógeno y metano. Cuando estas sustancias escapan a la atmósfera, el suelo pierde los elementos que contienen. (Cepeda, 1991, pp. 56,82; Kass, 1998, pp. 58,57-60) En cuanto a la conversión del nitrógeno, se distinguen tres procesos: amonificación, nitrificación y fjación. La amonificación consiste en la trasformación de los compuestos nitrogenados en amonio, el cual, debido a la nitrificación, se convierte en nitrito y luego en nitrato. La fijación, por su parte, consiste en la mutación del nitrógeno atmosférico en nitratos y proteínas. Estos procesos requieren un ambiente aeróbico, pues caso contrario los compuestos nitrogenados se reducen a nitrógeno mediante el proceso de desnitrificación. (FitzPatrick, 1996, pp. 83,84) 1.2.2 CARACTERÍSTICAS DEL AGUA DENTRO DEL SUELO Según Cepeda (1991), la lluvia que cae sobre el suelo supera la cantidad de agua que la planta expulsa a través de las hojas en forma de transpiración, la que se pierde directamente del suelo por evaporación y la que intercepta el follaje, resultando en la lixiviación del suelo y la consecuente remoción gradual de las sustancias solubles y las bases cambiables (p. 59). Martín et al. (2005) indican que el agua que interactúa con el suelo, especialmente la que percola a través de este medio poroso, se considera un componente importante del ciclo hidrológico, pues el agua edáfica que infiltra hacia horizontes más profundos tiene contacto con acuíferos subterráneos y cauces naturales. (p. 243) 28 FitzPatrick (1996) define a la solución del suelo como “la principal correa transportadora” de iones y partículas pequeñas (p. 47). El agua que el suelo absorbe contiene una alta concentración de dióxido de carbono disuelto, por lo que debería considerársela una solución de una base débil mucho más reactiva que el agua natural. Una proporción importante de la humedad del suelo participa en varias reacciones químicas. (FitzPatrick, 1996, pp. 47,48) Para Doménech (1995) “la solución del suelo tiene una importancia decisiva en el desarrollo de los procesos químicos en el medio natural”, debido a las interrelaciones entre esta disolución con el medio, como se muestra más adelante en la Figura 1.4. (pp. 11,12) Aguas atmosféricas Gases atmosféricos Atmósfera Biósfera Plantas Aire del suelo Coloides orgánicos Solución ón del suelo o Coloides inorgánicos Suelo Agua subterránea Litósfera Material originario Figura 1.4. Interrelaciones de la solución del suelo con el medio que la rodea (Doménech, 1995, p. 12) Cuando llueve o se administra agua a un suelo agrícola, el agua tiende a infiltrarse, siendo las precipitaciones pluviales la principal fuente de agua atmosférica de este sistema. La intensidad de la lluvia, así como los parámetros físicos del suelo (textura, humedad, porosidad y estabilidad), determinan infiltración del agua a través del medio. Durante este proceso, el agua expulsa aire de los poros, rellenándolos con agua a la que pueden acceder fácilmente, tanto las plantas como las soluciones extractoras. (Steubing, Godoy y Miren, 2001, p. 102) 29 El movimiento del agua en el suelo implica el arrastre de las sales disueltas, materiales finos en suspensión y energía calorífica. Cuando el agua del suelo se evapora desde la superficie de éste, las sales que componen la solución del suelo se concentran en este frente. En cambio, si el suelo está libre de vegetación, se acumula en el mismo una cantidad suficiente de agua que penetra hasta la base del perfil. Esta agua de percolación posibilitará eliminar una cantidad importante de sales, en caso de que se consiga mantener el movimiento persistente del agua y evitar los ascensos debidos a la evaporación. Es así que, en el ámbito agrícola, con el lavado se busca disolver las sales y diluirlas a una concentración tal que la conductividad eléctrica sea la máxima permitida; en cuanto al agua sobrante, ésta se elimina mediante drenajes adecuados, y con ella el exceso de sales en el suelo. (Cepeda, 1991, pp. 144-146; Narro, 1994, p. 144) La meteorización de los minerales, la descomposición de la materia orgánica y el intercambio iónico con las partículas coloidales son los mecanismos que permiten la disolución de iones en la solución del suelo. El vertido de contaminantes solubles o el riego de agua con alto contenido de sales son otros procesos de incorporación de iones en el medio acuosos percolante. No obstante, no todos los iones que entran al suelo pasan a la fase líquida, ya que procesos de retención edáfica dificultan la lixiviación de estas especies en la solución. En la Tabla 1.9 se enlistan a continuación los iones característicos de la solución del suelo en función de su comportamiento en el medio edáfico. De entre éstos, los iones magnesio, potasio, sodio y manganeso son relativamente abundantes, mientras que los iones aluminio, zinc, cobre II y hierro III son minoritarios. (Doménech, 1995, pp. 15,16) Tabla 1.9. Iones presentes en la solución del suelo Tipo Cationes intercambiables Iones ଶା, ଶା , ା , ସା , ଷା Cationes metálicos de transición ଶା , ଶା , ଷା , ଷା , ଶା , ସା Cationes tóxicos Aniones solubles Aniones poco solubles Aniones tóxicos (Doménech, 1995, p. 16) ଷା , ଶା, ଶା , ଶା , ଶା ି ି ି , ଶି ସ , ଷ , ଷ ି ି ଷ ି ସ , ଶ ସ , ଶ ଷ ଶି ଷି ସ , ସ 30 Una vez vertidos en el suelo, la concentración de los cationes metálicos en solución disminuye con el tiempo, debido a su retención en los sitios de adsorción del medio sólido. Metales como el selenio, vanadio, arsénico y cromo están presentes en la solución del suelo como iones solubles, y su concentración decrece cuando aumenta la concentración de óxidos de hierro y aluminio en el suelo y el pH no es muy alto. El cromo VI se presenta en el suelo como un anión, y se comporta como un oxidante fuerte que afecta, entre otros, a la materia orgánica, reduciéndose a cromo III y precipitando como hidróxido en medios neutros; sin embargo, a concentraciones bajas el cromo VI está estable y percola con relativa facilidad, pudiendo llegar a acuíferos subterráneos. (Doménech, 1995, pp. 121,122) Así como en la fase sólida del suelo, en la solución del suelo el pH define importantemente la movilidad de los cationes. Cuando el pH es moderadamente alto, se pueden formar hidróxidos insolubles, mientras que en medios bastante alcalinos, los precipitados se disuelven a causa de la producción de hidroxocomplejos. Sin embargo, suponiendo el desarrollo de únicamente procesos de intercambio catiónico, la retención de iones en el suelo es: Fe2+ > Al3+ > Pb2+ > Cr3+ > Hg2+ > Cd2+ > Cu2+ > Zn2+ > Mn2+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+. (Doménech, 1995, p. 121) 1.2.2.1 Propiedades físicas y químicas de la solución del suelo La carga eléctrica de las partículas coloidales dispone su estado en la solución del suelo. Dicha carga la determinan las capas superficiales de iones absorbidos por las partículas, cuya densidad disminuye a medida que se alejan de la interface. Así, cuando el medio de dispersión tiene un exceso de iones con carga igual a la de las partículas coloidales, éstas se encuentran en estado de dispersión, mientras que cuando las cargas son contrarias, se neutralizan, dando lugar a la floculación o coagulación de las partículas coloidales. (Cepeda, 1991, pp. 67,68) Los nutrientes esenciales para las plantas se presentan como aniones o como cationes. La solución del suelo es una fuente de los elementos presentes en el suelo, mientras que el agua de percolación transporta algo de cada elemento, pero no en la misma cantidad ni en la misma proporción. Los materiales más meteoriza- 31 bles y solubles tienden a ser evacuados del suelo con mayor rapidez, mientras que los más resistentes tienden a permanecer en el suelo. Además, los compuestos minerales y orgánicos del suelo se complementan mutuamente para retener cierta cantidad de cada elemento. Los aniones son retenidos en la materia orgánica hasta su descomposición, mientras que los cationes son retenidos en las estructuras de los minerales, de modo que no se pueden liberar hasta que se desarrollen procesos de meteorización. Incluso entonces existe una resistencia a ser lavados, debido al fenómeno de intercambio iónico. (Cepeda, 1991, p. 76) 1.2.2.2 Infiltración y redistribución del agua en el suelo Narro (1994) define a la infiltración como la entrada del agua al suelo a través de la interface suelo - atmósfera, e indica que los factores que afectan la velocidad de infiltración del agua en el suelo son los siguientes: (pp. 111,116) a. Humedad inicial del suelo, de modo que mientras mayor sea la humedad menor es la velocidad de infiltración. b. Textura del suelo, de modo que mientras mayor es el contenido de arena mayor es la velocidad de infiltración. c. Condición de la superficie del suelo, pues la presencia de costras disminuye la velocidad de infiltración, mientras que las grietas la aumentan. d. Calidad del agua alimentada al suelo, pues agua pura o con concentraciones altas de sodio da lugar a una dispersión de los coloides, reduciendo la velocidad de infiltración. Luego de que el agua se ha infiltrado en el suelo, ésta continúa moviéndose dentro del mismo debido al gradiente hidráulico entre las zonas húmedas y secas divididas por el frente de mojadura, a la vez que se desarrolla una mixtura entre el agua aplicada y la solución del suelo. Asimismo, se efectúa una mezcla de los solutos, la cual resulta de los siguientes fenómenos: dispersión hidrodinámica y variación de las velocidades de infiltración de las soluciones debidas al medio poroso, difusión molecular resultante del movimiento de las moléculas, reacciones químicas o de intercambio y adsorción física. (Narro, 1994, pp. 121,143,144) 32 1.2.2.3 Instrumentos para la evaluación de la solución del suelo: Lisímetros Se define como percolación a la “penetración del agua hasta alcanzar la capa impermeable o el nivel de agua freática”. (Steubing, Godoy y Miren, 2001, pp. 102106) Se han creado varios instrumentos para la obtención de la solución del suelo y la estimación de la velocidad de percolación del agua en el suelo, aplicables tanto a nivel de laboratorio como de campo, entre éstos están los lisímetros. Se define como lisímetro al “dispositivo utilizado para determinar la velocidad, cantidad y composición del agua que percola en un medio poroso”. Estos equipos se llenan de suelo, el cual, bajo condiciones naturales de campo, recibe lluvia natural o riego, y están provistos de un sistema para colectar y medir la solución de percolación. (Martín, López y Calera, 2005, p. 243) En el laboratorio, la aplicación de volúmenes periódicos o de flujos continuos de agua a la columna de suelo y la evaluación del líquido drenado permiten estudiar el desplazamiento miscible de la solución del suelo y del fluido desplazante. (Narro, 1994, pp. 142,143) Generalmente estos instrumentos se clasifican en lisímetros no pesantes, volumétricos, de drenaje o de compensación, y lisímetros de pesada. Entre los primeros se encuentran los lisímetros de drenaje sin nivel freático, en cuyo fondo se recoge y mide el agua en exceso. Son recipientes cilindros o cúbicos, de plástico, poliéster con fibra de vidrio, acero o vidrio (nivel laboratorio), con superficies entre 0,25 y 4 m² y profundidades de 0,47 a 1,03 m. El fondo del equipo suele diseñarse en forma de declive, a fin de facilitar la extracción del agua de drenaje. El exceso de agua puede caer por gravedad o evacuarse por medio de una bomba conectada a fondo del recipiente. (Martín et al., 2005, pp. 246,247) Cuando el agua penetra en el suelo y se desliza dentro del mismo, lo hace a través de los poros de distintas formas y tamaños, por lo cual la velocidad del agua dentro del suelo varía constantemente. La velocidad del agua aumenta cuando ésta entra al suelo debido a la reducción del área de flujo, de modo que la velocidad del agua será mayor al caudal por unidad de área. Asimismo, debido a los poros, la distancia que recorren las moléculas de agua de un extremo a otro de la columna es mayor que la longitud de la columna. (Narro, 1994, pp. 101,103) 33 En consecuencia, el diseño descrito anteriormente para el lisímetro de drenaje implica algunos problemas, pues secciones reducidas dan lugar al efecto borde, y las paredes laterales restringen el flujo natural del agua de escorrentía. Además, el contenido de agua en el perfil de suelo varías a medida que se desarrollan los ensayos de riego y drenaje. (Martín et al., 2005, p. 252) 1.2.3 RIESGOS PARA EL SUELO Y LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS El polvo originado en las acerías puede depositarse a distancias considerables del foco de emisión. El problema está en que la meteorización de este polvo da lugar a la concentración de los metales pesados en el suelo. Esta concentración puede llegar a niveles tóxicos para el desarrollo de las plantas y de los animales que las consumen. (García y Dorronsoro, 2013, p. 2) Como lo asevera Doménech (1995), el suelo es un “medio receptivo por excelencia”, con una importante capacidad de autodepuración debida a las actividades biológica y química (reacciones de hidrólisis, oxidación - reducción, precipitación, entre otras) y a la capacidad de filtración gracias a la cual se retienen contaminantes mediante procesos de adsorción e intercambio iónico. Sin embargo, pueden desarrollarse transformaciones químicas que lleven a determinadas especies a un estado difícil de asimilar por parte de los organismos vivos edáficos. Tal es el caso del ion manganesoso, el cual es estable en medios no muy oxidantes, pero insoluble cuando se transforma en óxido. (Doménech, 1995, p. 119) Cuando la introducción de contaminantes al suelo se desarrolla a una tasa mayor a la capacidad de asimilación del suelo, se da una acumulación de éstos y consecuentemente una alteración del equilibrio natural. En este contexto, muchos metales pesados están presentes en el suelo con una concentración tal que les permite actuar como micronutrientes; sin embargo, debido a los vertidos antropogénicos, el límite de toxicidad se supera. (Doménech, 1995, pp. 119,120) La movilidad de los metales es pequeña en suelos neutros y básicos, por lo que tienden a acumularse en la parte superficial, misma que corresponde al horizonte 34 biológicamente más activo. (García y Dorronsoro, 2013, p. 2) De ahí que Narro (1994) destaque que las altas concentraciones de iones tóxicos en la solución del suelo limitan la actividad agrícola. La eliminación de estas sustancias generalmente se soluciona con lavados hasta llegar a la concentración deseada en el perfil del suelo. Por eso conviene lavar periódicamente al suelo, a fin de establecer un equilibrio entre las sales que entran y salen. (pp. 153-155) Como lo indica Doménech (1995), en el sistema edáfico puede desarrollarse la infiltración del agua hacia horizontes más profundos, durante la cual el líquido interactúa con el medio circundante e intercambia elementos. (p. 13) Dado que el líquido lixiviado alimenta los acuíferos subterráneos, la contaminación del suelo implica la afectación de las aguas subterráneas, cuya mitigación no es fácil ni barata. En este contexto, Navarro et al. (1996) identifican a estos problemas como los efectos negativos de una inadecuada gestión de residuos. (pp. 49,50) 1.3 TÉCNICAS DE TRATAMIENTO DE RESIDUOS SÓLIDOS POTENCIALMENTE PELIGROSOS Y SUS LIXIVIADOS 1.3.1 TRATAMIENTOS TRADICIONALES DE SUELOS CONTAMINADOS Doménech (1995) afirma que las prácticas tradicionales para el tratamiento de los suelos contaminados son la encapsulación y la solidificación, que no es más que una encapsulación en una matriz sólida. (p. 156) 1.3.1.1 Estabilización por encapsulación En la actualidad se dispone de varios métodos para el tratamiento de residuos sólidos potencialmente peligrosos, entre los que se destaca la encapsulación. Este proceso permite aglomerar o encerrar completamente a las partículas tóxicas en una matriz sólida mediante una sustancia ligante, clinker en el caso de la solidificación - estabilización. (Anfacal, 2012, p. 1) Asimismo, Doménech (1995) menciona los siguientes solidificantes: cemento, arcillas, cal y resinas. (p. 156) 35 La encapsulación es consecuencia de reacciones de hidratación que dan lugar a un atrapamiento del contaminante en la matriz de concreto, siendo éste el mecanismo primario de contención. Para esto es necesario que el sólido a estabilizarse se mezcle con cemento u otro material puzolánico (ceniza, por ejemplo) y cal, la última para promover un efecto de cementación. La proporción de cal en la mezcla depende de las propiedades del cemento utilizado, aunque típicamente está entre 20 y 30 %. (Anfacal, 2012, p. 1) La formación de ligas depende de la producción de silicatos y aluminatos de calcio. Por lo tanto, sustancias como el borato de sodio, el dicromato de potasio y los carbohidratos pueden interferir químicamente en las reacciones ligantes, mientras que lípidos (aceites y grasas) pueden interferir físicamente reduciendo el espacio para el confinamiento de la sustancia contaminante. (Anfacal, 2012, pp. 1-3) El sólido estabilizado es altamente alcalino, por lo que de éste se pueden desprender fluidos líquidos o gaseosos indeseables. Por eso es recomendable el uso de cemento portland, el cual permite desarrollar productos durables y controlar el escurrimiento. Además, si se lo mezcla con hidróxido de calcio micronizado, se dispone de un área superficial grande que atrae a la contaminación adyacente, distribuyéndola homogéneamente en las superficies e intersticios de los cristales de hidróxido. (Anfacal, 2012, p. 2) Comparado con otras técnicas de tratamiento, el sistema de encapsulación está entre los menos costosos, pues requiere materiales relativamente baratos (cemento y cal) y, dado que el proceso es básicamente una mezcla, equipos sencillos, bastante comunes en la industria del concreto. Factores que influyen de manera importante en los costos de solidificación y estabilización de los residuos sólidos son: (Anfacal, 2012, pp. 2,3) a. Propiedades físicas y químicas del residuo sólido, que pueden hacer necesario un pretratamiento para la remoción del líquido en exceso o de otros constituyentes que pueden interferir en el proceso de encapsulación. b. Materia prima empleada, pues existe una gran variedad de agentes ligantes además del cemento y la cal, polímeros por ejemplo. 36 c. Transportación de las materias y del sólido estabilizado. d. Mantenimiento de la seguridad y la higiene en el sector del confinamiento. 1.3.1.2 Extracción por lavado El objetivo de la extracción es la separación por disolución de los contaminantes del suelo debido al paso de un líquido, normalmente agua, el cual se depura posteriormente. Así como se la puede aplicar in situ, existe la modalidad ex situ, excavando la parte del suelo contaminado y tratándolo separadamente con disolventes adecuados. (Doménech, 1995, p. 157; Velasco y Sepúlveda, 2002, p. 15) Al agua de lavado se le pueden añadir algunos reactivos químicos, detergente por ejemplo, a fin de incrementar su poder disolvente. Igualmente, es posible emplear líquidos orgánicos o fluidos supercríticos, destacándose el caso del dióxido de carbono, el cual adquiere el estado crítico a una presión y temperatura moderadas (73 atm y 31,1 ºC). Lo importante es que el disolvente no sea tóxico, inflamable o reactivo, para no alterar la estructura del suelo. (Doménech, 1995, pp. 160,161) Finalmente, además de la extracción por lavado, existe la extracción por arrastre, cuyo objetivo es eliminar contaminantes volátiles mediante la inyección de aire o vapor. Cuando la técnica se desarrolla con aire, toma el nombre de aireación, y se ejecuta mediante la instalación de pozos de succión que obliguen la entrada de aire exterior a través de los poros del suelo. (Doménech, 1995, p. 161) 1.3.1.3 Depuración química por electroremediación Un suelo contaminado se puede depurar gracias al desarrollo de reacciones químicas que transformen los contaminantes; tal es el caso de la oxidación, la cual se efectúa mediante la adición de una disolución de oxidante al terreno contaminado. Asimismo, es posible provocar reacciones electroquímicas que, además de convertir los contaminantes, inducen su desplazamiento hacia zonas determinadas debido a la presencia de campos eléctricos. (Castilla, 2011, p. 165) 37 La electroremediación es una técnica de tratamiento in situ, mediante la disposición de electrodos alrededor de la zona contaminada. Dichos electrodos se conectan a una fuente de poder, la cual alimenta una corriente eléctrica que actúa como la fuerza impulsora del movimiento de las especies contaminantes del suelo. Para favorecer este desplazamiento, se puede adicionar a la zona una disolución acuosa, la cual después se recoge y se trata. (Doménech, 1995, p. 165) Las propiedades del suelo que definen el rendimiento de la electroremediación son: permeabilidad, capacidad de adsorción, poder amortiguador de pH y grado de saturación. Es así que los parámetros que deben aplicarse para descontaminar el suelo por electroremediación son varios, destacándose la diferencia de potencial, la cual varía entre 40 y 200 V, la densidad de corriente, entre 0,5 y 5 A/m², y la distancia entre los electrodos, de 2 a 10 m. (Doménech, 1995, p. 171) 1.3.2 TRATAMIENTOS TRADICIONALES DE POLVO DE ACERÍA El depósito del polvo de acería en sitios adecuados es la primera opción que se considera para la disposición de estos desechos. Sin embargo, la posibilidad de lixiviación de los metales pesados y su consecuente contaminación de los cuerpos de agua han hecho que los requerimientos legales para este tipo de práctica sean cada vez más estrictos, exigiéndose por ejemplo evitar la incorporación de metales pesados al agua o al suelo mediante la estabilización del polvo a depositarse, convirtiéndolo en un residuo no peligroso. (Madías, 2009, p. 40) Es por esto que, de las técnicas de gestión de polvo de acería, la solidificación y estabilización de este residuo para su posterior deposición en vertederos de residuos peligrosos es la opción más utilizada. (Altadill et al., 2012, p. 1140) A pesar del alto contenido de óxidos de hierro en el polvo de acería, el reciclado directo de este material en el horno de arco eléctrico no se aplica debido a los problemas operacionales que implica, aunque es bastante útil para el enriquecimiento del polvo en zinc. Más bien, valorizaciones por vía hidrometalúrgica y/o pirometalúrgica son ampliamente utilizadas para la recuperación de metales no férreos como zinc y plomo. (Altadill et al., 2012, pp. 1140,1141) 38 Los procesos pirometalúrgicos no posibilitan el reciclado directo del polvo de acería, sino más bien consisten en una fusión reductora a partir de la cual el zinc y el plomo se volatilizan, recogiéndoselos como óxidos en forma de vapor para someterlos a procesos de refinación posteriores. Los métodos hidrometalúrgicos, en cambio, permiten la obtención de zinc electrolítico, el cual debe luego tratarse con disoluciones selectivas del zinc frente al hierro, o la lixiviación de los metales pesados en medio ácido o alcalino. (Altadill et al., 2012, pp. 1140,1141) Uno de los problemas con la aplicación de métodos hidrometalúrgicos al polvo de acería para la recuperación de zinc es el estado mineralógico en el que este metal se encuentra. Si bien el óxido de zinc no causa ningún problema en las lixiviaciones ácida o alcalina, la ferrita de zinc sí, pues es prácticamente refractaria ante la lixiviación. Por lo mismo, aunque la lixiviación alcalina permite una extracción selectiva de los metales pesados frente al hierro, requiere medios relativamente concentrados con tratamientos térmicos intermedios. De ahí la importancia de determinar si la lixiviación de la ferrosita es viable antes de aplicar esta clase de tecnologías. (Altadill et al., 2012, p. 1141; Madías, 2009, p. 43) En cuanto a los procesos pirometalúrgicos, los problemas que éstos presentan son el alto consumo de energía y la generación de residuos sin valor. Sin embargo, el rendimiento de la extracción de metales no férreos es alto. Por lo tanto, el proceso a aplicarse depende de las características del polvo de acería a tratarse, como el tamaño de partícula, la composición, la concentración de elementos valorizables y sus fases mineralógicas, las últimas para conocer la cantidad de constituyentes lixiviables. (Altadill et al., 2012, p. 1141; Madías, 2009, pp. 41-43) Madías (2009) muestra las distintas alternativas para el manejo y reciclaje del polvo de acería, mismas que se resumen a continuación en la Tabla 1.10. La mayoría de tecnologías busca la recuperación del zinc, de modo que el residuo a tratarse debe presentar una ley mínima de este metal para resultar rentable. En este sentido, el reciclado directo del polvo en los hornos de arco eléctrico es una opción útil. Ésta consiste en la inyección neumática directa del polvo en la interface acero - escoria cuando la chatarra está fundida, a fin de aumentar la concentración de zinc y plomo en el nuevo polvo generado. (pp. 41,42) 39 Tabla 1.10. Procesos empleados para el tratamiento de polvo de acería Método Descripción Carbofer Inyección de laminilla y polvo de acería en el horno de arco eléctrico. Éstos se mezclan con aditivos, se transportan neumáticamente y se inyectan mediante una lanza refrigerada con agua. Flame reactor El polvo de acería se procesa con gases reductores a más de 2 000 ºC. El zinc, conjuntamente con otros metales pesados, se reduce y evapora, recogiéndoselo en los filtros de humos. Así se obtiene un residuo rico en óxidos de metales pesados y, ocasionalmente, una aleación metálica, mientras que la escoria fundida solidifica como un vidrio no lixiviable. Mitsui furnace Polvo de acería, residuos ricos en zinc y cenizas volantes secundarias se mezclan con carbón (reductor), arena y licor de sulfuros (aglomerante) para formar briquetas autorreductoras que se tratan en el horno de cuba Mitsui. Entonces el zinc se reduce, vaporiza y oxida nuevamente, recuperándoselo en los filtros del gas de escape. La escoria y la mata salen por gravedad de la parte inferior del horno. La escoria se granula en agua para usarla en cementeras. El óxido de zinc se lava para la eliminación de los haluros. Pizo (Pig iron, Zinc oxide) Briquetas autorreductoras del polvo de acería se introducen en un horno de inducción que contiene arrabio y escoria líquidos. Los metales zinc, plomo y cadmio se reducen, vaporizan, oxidan y recogen en el sistema de salida de gases. El hierro se reduce y pasa a la fase líquida, mientras que los óxidos de silicio y calcio van a la escoria. El arrabio se solidifica en lingotes, mientras que el óxido de zinc se lava para la eliminación de los cloruros. Primus En un horno multisoleras, en el que se emplea carbón como reductor y principal fuente de energía, se trata el polvo de acería produciéndose óxido de zinc al 95 % y un concentrado de hierro de alta metalización, el cual se funde para la producción de arrabio en un horno de arco eléctrico. El carbón se puede cargar conjuntamente con los materiales a reciclar y en cualquier punto del proceso. Así, a temperaturas de hasta 1 100 ºC, la carga inicialmente se seca, se calienta y los óxidos se reducen. Scan Arc El polvo de acería se mezcla con fundentes y reductores en un horno de cuba con una antorcha de plasma. Por la parte inferior del horno se alimenta aire calentado con un generador de plasma, y en el aire caliente se inyecta gas natural; la relación aire/gas determina el grado de oxidación del medio. Así, en la parte inferior del horno se obtiene un vidrio que se solidifica al enfriarse, mientras que por la parte superior emergen gases con el óxido de zinc, los cuales se recuperan en el sistema de tratamiento respectivo. Súper Detox Involucra una serie de procesos químicos: reacciones de oxidación/reducción, insolubilización de metales, polimerización de silicatos, liga puzolánica y solidificación, con el objetivo de llevar a los metales a su estado menos soluble e inmovilizarlos físicamente. Así, se obtiene un sólido estabilizado no peligroso de baja permeabilidad y alta resistencia Waelz Volatilización de los metales no ferrosos (zinc, plomo y cadmio) a partir de una mezcla de óxidos sólidos, los cuales se reducen con coquecillo en un horno rotativo. El óxido de zinc se lava con el fin de eliminar los cloruros, obteniéndose el óxido Waelz, el cual contiene entre 54 y 60 % de zinc. Éste se somete posteriormente a un tratamiento de recuperación del zinc vía electrolítica o se comercializa como tal. (Madías, 2009, pp. 39-45) 40 Tabla 1.10. Procesos empleados para el tratamiento de polvo de acería (continuación …) Método Proceso electrotérmico Descripción El polvo de acería se carga en un horno rotativo, y se somete a temperaturas entre 1 250 ºC y 1 270 ºC a fin de que se elimine el plomo. En los filtros bolsa del sistema de tratamiento de gases queda un óxido de zinc que presente entre 29 % y 34 % de zinc, el cual se tritura, se lava y se conforma en pellets. Estos pellets se someten a una sinterización, con la que eliminan los cloruros y el plomo remanente. El sínter obtenido se carga, conjuntamente con coque, en un horno electrotérmico que trabaja a temperaturas entre 1 100 ºC y 1 330 ºC. Así, el zinc se reduce, vaporiza y traslada a cámaras de combustión donde se oxida, recuperándoselo al final en los sistemas de gases de escape. (Madías, 2009, pp. 39-45) 1.3.3 TRATAMIENTO DE LIXIVIADOS POR MÉTODOS NO CONVENCIONALES Guanoluisa (2012) propone un sistema de tratamiento de los lixiviados generados en rellenos sanitarios conformado por las siguientes operaciones: electrocoagulación como tratamiento primario, fitorremediación como tratamiento secundario y adsorción en carbón activado como tratamiento terciario. Con este conjunto de procesos se logra reducir la concentración de los contaminantes hasta valores aceptados por la norma técnica del Municipio del Distrito Metropolitano de Quito, que regula los contaminantes asociados a descargas líquidas industriales, comerciales y de servicios. (pp. 1-3) Inmediatamente se describen estas operaciones. 1.3.3.1 Electrocoagulación Pérez (2012) cita a la electrocoagulación como una coagulación que resulta de la disolución electrolítica de un ánodo. La coagulación es el proceso por el cual las partículas cargadas en el medio coloidal se neutralizan, aglomeran y sedimentan. Dicha neutralización se debe básicamente a la reducción de la carga neta superficial de las partículas coloidales por la presencia de electrolitos de carga opuesta. De este modo, las especies iónicas cargadas se eliminan de las aguas residuales debido a la floculación y generación de hidróxidos metálicos. (pp. 2,3) 41 Navarro (2007) indica que, para que se desarrolle el proceso de electrocoagulación, en el reactor electroquímico se colocan dos electrodos conectados a una fuente de alimentación. Entonces, al establecerse la diferencia de potencial, el cátodo empieza a reducirse, el ánodo a oxidarse y los contaminantes emulsificados o suspendidos a desestabilizarse. Entonces se forman hidróxidos insolubles del metal, sobre los que se retienen los contaminantes, e hidroxocomplejos cargados que permiten la coagulación de las cargas por neutralización. (pp. 25,26) Otros autores como Arango (2005) indican que el pH, la conductividad y el potencial de óxido - reducción de la celda se ajustan de acuerdo al contaminante (p. 53). En cuanto a sus aplicaciones, la electrocoagulación es principalmente usada para la eliminación de materia orgánica presente en efluentes industriales. También se la emplea para la remoción de sílice, cianuro y compuestos orgánicos de la industria del petróleo, y para la recuperación de metales. (Arango, 2005, p. 7) 1.3.3.2 Fitorremediación Tecnología que utiliza plantas y los microorganismos asociados a su rizósfera para remover, transferir, degradar, estabilizar, concentrar y/o transformar contaminantes en suelos, lodos, sedimentos y aguas contaminados. Los mecanismos que participan son varios. Las raíces excretan sustancias que suministran nutrientes a los microorganismos, mejorando su actividad biológica en la zona que las rodea. Asimismo, en las raíces se producen sustancias químicas que absorben y/o forman complejos con los contaminantes, inmovilizándolos en la interface raíz - suelo y limitando su biodisponibilidad en el suelo. Muchas especies son atrapadas por las raíces y llevadas hacia los tallos y las hojas, para que, en los tejidos de las plantas, enzimas catalicen su degradación. (Velasco y Sepúlveda, 2002, p. 36) Esta técnica suele utilizarse para el tratamiento de suelos y aguas contaminados con metales como cadmio, cromo VI, cobalto, cobre, níquel, plomo, selenio y zinc, entre otros. Sin embargo, concentraciones relativamente altas de los contaminantes pueden resultar tóxicas para las plantas, descartando a la fitorremediación como una opción de tratamiento. (Velasco y Sepúlveda, 2002, pp. 36,37) 42 1.3.3.3 Adsorción en carbón activado El uso de carbón activado en el tratamiento de aguas residuales posibilita mejorar el rendimiento en cuanto a la eliminación de: materia orgánica, y por lo tanto del DBO5 y del DQO; compuestos orgánicos disueltos, principalmente aquellos responsables del color, sabor y/u olor; de compuestos orgánicos tóxicos; y de detergentes. Para esto, se emplean lechos de adsorbente de varios metros de diámetro y hasta 10 m de altura. (Aguilar, Sáez, Lloréns, Soler y Ortuño, 2002, p. 74; McCabe, Smith y Harriot, 1991, p. 800) La adsorción en carbón activado permite eliminar algunos metales del agua, lo cual es importante debido a la creciente contaminación del agua con metales pesados. Reyes et al. (2006) afirman que la incorporación del carbón activado a los sistemas de tratamiento de aguas residuales resulta efectivo y rentable (p. 59). Al respecto, Rozas (2008) indica que el carbón activado es altamente eficaz para la remoción de cromo VI en líquidos contaminados (p. 66), el cual, según Manahan (2007), es más difícil de remover que el cromo III (p. 228). Rodríguez (2003) indica que, entre los parámetros que determinar el rendimiento de un tratamiento de aguas residuales con carbón activado, están la granulometría del carbón, el pH y la concentración de las sales en el medio acuoso. En cuanto al pH, la capacidad del carbón activado aumenta a medida que éste disminuye; mientras que un aumento de la concentración de las sales en el medio acuoso mejora la capacidad de absorción del carbón activado respecto a solutos orgánicos aniónicos, pues la parte activa de las sales influye en la eficacia de la absorción. (pp. 175-178) 43 2 MATERIALES Y MÉTODOS Con el trabajo que se describe a continuación se buscó tener respuestas cuantificables de la influencia del polvo de acería sobre el agua asociada a un suelo agrícola y su tratamiento. Para esto se procedió con la recolección y caracterización de muestras de suelo y polvo de acería; ensayos en columna para la producción, recolección y caracterización de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo, y la estabilización de éstos con cemento y cal. Como primer paso, se recolectó una muestra representativa de 5 kg de polvo de acería y, en la zona agrícola aledaña, se recogieron 50 kg de suelo cultivable no afectado, empleándose en ambos casos el método de muestreo aleatorio simple. Las muestras obtenidas se caracterizaron física, química y mineralógicamente, determinándose las siguientes propiedades: densidad real y aparente, porosidad, humedad, pH, conductividad, poder retentivo de agua y granulometría, además del contenido total de: Al, As, Ca, Cd, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Na, Pb y Zn por absorción atómica, y la concentración de materia orgánica en el suelo por el método estandarizado de Walkley - Black. El análisis mineralógico se efectuó por difracción de rayos X en muestras de suelo pulverizado y polvo de acería. Además se desarrolló una prueba toxicológica TCLP sobre el polvo de acería, siguiendo la metodología EPA 1311, a partir de la cual se cuantificaron los elementos contemplados en el Texto Unificado de Legislación Ambiental Secundaria (TULAS) para el control de descargas líquidas a cuerpos de agua dulce: Ag, As, Ba, Cd, Cr, Fe, Hg, Ni, Pb, Se, V y Zn. Análisis similares se llevaron a cabo con el suelo y el polvo de acería al final del ensayo, con la intención de identificar las diferencias entre el material no percolado con el resultante del proceso en columna, así como la influencia del polvo de acería sobre el suelo. Para evaluar el riesgo de contaminación del suelo y del medio hídrico debido a la percolación de los elementos que componen el polvo de acería, se procedió con ensayos en columna. Para ello se dispusieron cinco columnas de vidrio de 6 cm de diámetro y 75 cm de altura a modo de lisímetros de drenaje. En la base de los lisímetros se colocó 5 cm de material filtrante (granito, malla 4 - 6) que permitió el 44 paso del líquido percolado hacia el espacio colector. El espacio colector se conformó de un embudo que conectó la parte más baja de la columna con un vaso de precipitación de 250 mL, mientras que en la cámara de drenaje se colocaron las siguientes capas de forma sucesiva: a. Columna 1: 5 cm de granito y 50 cm de suelo b. Columnas 2, 3, 4: 5 cm de granito, 50 cm de suelo y 15 cm de polvo de acería c. Columna 5: 5 cm de granito y 15 cm de polvo de acería Las columnas se sometieron a flujos constantes de agua potable de 0,15 mL/h, a fin de simular la precipitación media anual de Latacunga de 455 mm. Como resultado de la percolación del líquido a través de las capas de polvo y suelo en las columnas se obtuvieron lixiviados, sobre los cuales se determinaron el caudal, el pH y la concentración de Ag, Al, As, Ba, Ca, Co, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Na, Hg, Ni, Pb, Si, V, Zn y carbono orgánico total. Con estos datos se estimó la tasa de disolución de los elementos que son removidos en los efluentes. Para estabilizar los lixiviados generados por el polvo de acería, se los mezcló en distintas cantidades (80, 100 y 120 mL de agua) con 160 g de cemento Portland y 40 g de cal, siendo el lixiviado el agente de fraguado de la mezcla. Posteriormente se desarrolló una prueba toxicológica TCLP (EPA 1311) y un ensayo de resistencia a la compresión (INEN 1485) sobre los sólidos estabilizados, a fin de determinar si pueden ser depositados en celdas de confinamiento superficiales. Finalmente, sobre la base del caudal promedio de los lixiviados obtenidos y para una producción de 9 000 kg/día de polvo de acería, se definió el diagrama de tratamiento y se dimensionaron los equipos necesarios para la encapsulación del efluente, entre los que se incluyen tanques de almacenamiento, una bomba centrífuga, una máquina mezcladora y un equipo de vibro - compactación. Posteriormente se realizó la evaluación económica del sistema propuesto para definir el costo del tratamiento y compararlo con otras alternativas como: depuración del lixiviado mediante electrocoagulación y fitorremediación, estabilización directa del polvo de acería para la producción de bloques y adoquines, y valorización del material y posterior tratamiento del residuo para la recuperación de zinc. 45 A continuación se muestra la Figura 2.1, en la que se representa la secuencia de los métodos descritos anteriormente: Muestreo de suelo agrícola no afectado (Cuchitingue) Muestreo de polvo de acería (Lasso) Tamizado (dP ≤ 2 mm) y homogenización Homogenización Suelo no afectado Polvo de acería Caracterización física, química y mineralógica 0,15 mL/h agua Ensayos en columna (granito, suelo y polvo) Suelo afectado Prueba toxicológica TCLP (EPA 1311) Lixiviados 80, 100 y 120 mL agua Polvo de acería Caracterización fisicoquímica Estabilización (lixiviado agente de fraguado) 160 g cemento + 40 g CaCO3 Sólido estabilizado Datos experimentales Ensayo de resistencia a la compresión (IRAM 1622) Datos experimentales Prueba toxicológica TCLP (EPA 1311) Datos experimentales Diseño de la planta de tratamiento de los lixiviados Figura 2.1. Metodología experimental seguida para el diseño de la planta de tratamiento de los lixiviados generados por la disposición no controlada de polvo de acería sobre suelo El detalle de los procedimientos enunciados anteriormente y representados en la Figura 2.1 se presenta a continuación. 2.1 MUESTREO DE POLVO DE ACERÍA Y SUELO CULTIVABLE El presente estudio se centra en la influencia del polvo de acería de una empresa de reciclaje de chatarra sobre el suelo agrícola de la zona aledaña al foco de emisión. Sobre esta base, a continuación se describe el método empleado para el muestreo de los sólidos, así como la ubicación de los puntos de muestreo. 46 2.1.1 PROCEDIMIENTO DE MUESTREO EMPLEADO Las muestras utilizadas en el desarrollo de este trabajo pertenecen al sector de Lasso, provincia de Cotopaxi, en el que coexisten una región agrícola y un sector industrial en constante crecimiento. El 24 de julio de 2012, época previa a la temporada de lluvias en Cotopaxi, se realizó tres eventos de muestreo, tanto de polvo de acería como de suelo agrícola. El suelo agrícola no alterado se recolectó en Aláquez, específicamente en el sector Cuchitingue, a una altitud de 3 348 msnm; mientras que el polvo de acería se recogió en la tolva de acopio de una planta de reciclaje de chatarra para la producción de acero. Para esto, se siguió el proceso que se indica a continuación: 1. 1.1. Muestreo del suelo agrícola Se inspeccionó someramente el terreno y se conversó con el propietario del mismo a fin de delimitar áreas uniformes menores a 2 ha que no hayan sido sometidas a una actividad agrícola reciente (unidades de muestreo) y que sean representativas del sector. 1.2. Se definieron aleatoriamente 5 puntos de muestreo en cada unidad, procurando formar con los mismos un zigzag. 1.3. Se recogió una muestra de 2 kg de suelo agrícola en cada punto de muestreo, enterrando una pala de acero inoxidable a una profundidad de 30 cm, dimensión que delimita la capa arable del suelo. 2. 2.1. Muestreo del polvo de acería Se homogeneizó la superficie del polvo de acería en el silo de almacenamiento, introduciendo una pala a una profundidad de 5 cm y girándola a fin de mezclar las partículas. 2.2. Se definieron aleatoriamente 4 puntos de muestreo en la superficie del polvo de acería, y se tomó en los mismos 1 kg de muestra. 2.3. Se tomó 1 kg de polvo de acería del fondo del silo, para lo cual se abrió la válvula de descarga del mismo. Una vez colectadas, las muestras se mezclaron con cuidado, se colocaron en una lona adecuadamente identificada y se almacenaron a temperatura ambiente. 47 2.1.2 PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS La muestra natural de suelo agrícola se acondicionó al llegar al laboratorio como fase previa a la realización de los análisis que se describen más adelante. Para esto, la metodología que se siguió es la siguiente: 1. Se extendió la muestra de suelo agrícola sobre una película de plástico y se la homogeneizó, utilizándose para el efecto una pala de acero inoxidable. 2. Se desagregaron a mano los grumos de tierra observados en la muestra. 3. Se secó la muestra a temperatura ambiente durante 2 días, hasta que se observó el desprendimiento de polvo como respuesta al movimiento. 4. Se disgregaron mecánicamente los terrones de la muestra, empleándose un martillo de goma y posteriormente un rodillo. 5. Se tamizó la totalidad de la muestra en un tamiz vibratorio de 2 mm de luz. 6. Se homogeneizó nuevamente la muestra y se obtuvo una porción representativa por el método de cuarteos diagonales, el cual consiste en la eliminación de cuadrantes opuestos y la mezcla de los que quedan, repitiéndose el procedimiento hasta reducir la muestra a 1 kg. 7. Se almacenaron la muestra representativa y las fracciones sobrantes de cada cuarteo en bolsas adecuadamente identificadas y a temperatura ambiente. En cuanto al polvo de acería, la preparación de la muestra se desarrolló del mismo modo, excluyéndose el tamizado, el cual no fue necesario debido a la granulometría muy fina del material. Así se obtuvo 1 kg de muestra representativa. 2.2 CARACTERIZACIÓN FÍSICA, QUÍMICA Y MINERALÓGICA DEL POLVO DE ACERÍA Y EL SUELO NO AFECTADO 2.2.1 DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD APARENTE Para la determinación de la densidad aparente de las muestras de suelo y polvo de acería se utilizó una probeta de 250 mL y la balanza Mettel PE11, de 10 kg de capacidad y 0,1 g de precisión. El procedimiento que se desarrolló fue: 48 1. Se pesó la probeta vacía y se anotó este valor. 2. Se llenó la probeta con 250 mL de la muestra seca y se apelmazó un poco la tierra mediante golpes suaves. 3. Se pesó el conjunto probeta - muestra y se anotó este valor. 4. Se calculó la densidad aparente ߩ dividiendo la masa de suelo para 250 mL. 2.2.2 DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD REAL Para la determinación de la densidad real de las muestras de suelo y polvo de acería se utilizó un picnómetro de 25 mL y la balanza analítica Sartorius TE1245, de 115 g de capacidad y 0,1 mg de precisión. El método que se siguió fue: 1. Se pesó el picnómetro vacío con la tapa y se anotó este valor. 2. Se añadió al picnómetro 1 g de la muestra seca, se lo tapó y se lo pesó. 3. Se llenó con agua destilada el picnómetro con la muestra, se lo tapó y se pesó el conjunto picnómetro - muestra - agua destilada. 4. Se lavó, limpió y secó el picnómetro, se lo llenó con agua destilada y se pesó el conjunto picnómetro - agua destilada. 5. Se aplicó la siguiente ecuación: ߩோ ൌ ൬ ݉ଶ െ ݉ଵ ൰ ൈ ߩுమ ை ሺ݉ଶ െ ݉ଵ ሻ െ ሺ݉ଷ െ ݉ସ ሻ [ 2.1 ] Donde ݉ଵ es la masa del picnómetro vacío, ݉ଶ es la masa del conjunto pic- nómetro - muestra, ݉ଷ es la masa del picnómetro con muestra y lleno de agua, y ݉ସ es la masa del picnómetro lleno únicamente con agua destilada. 2.2.3 DETERMINACIÓN DE LA POROSIDAD Dado que la porosidad se define como el “cociente entre el volumen de poros de la muestra y su volumen total aparente” (Soriano, Sancho, Verdú, Giner y Pons, 2004, p. 57), se la determinó cuantitativamente aplicando la siguiente ecuación: 49 ߝ ൌ ൬ͳ െ ߩ ൰ ൈ ͳͲͲΨ ߩோ [ 2.2 ] 2.2.4 DETERMINACIÓN DE LA HUMEDAD Para la determinación de la humedad, tanto del suelo como del polvo de acería, se utilizó una estufa Memmet con regulación de temperatura hasta 240 ºC, un desecador y crisoles tarados. El procedimiento que se siguió fue el siguiente: 1. Se pesó el crisol tarado (balanza Sartorius TE1245, 0,1 mg de precisión). 2. Se pesó 1 g de la muestra inicial (menor a 2 mm) y se la colocó en el crisol. 3. Se introdujo el crisol con la muestra en la estufa y se la secó a 105 ºC durante 1 h, al final de la cual se llegó a un peso constante. 4. Se llevó el crisol con la muestra seca al desecador, se esperó 5 min hasta que el recipiente se enfríe y se lo pesó. 5. Se aplicó la siguiente ecuación: ݄ൌ൬ ݉ெு െ ݉ெௌ ൰ ൈ ͳͲͲΨ ݉ெு [ 2.3 ] Siendo ݉ெு la masa de la muestra húmeda y ݉ெௌ la masa de la misma seca. 2.2.5 DETERMINACIÓN DEL pH Y DE LA CONDUCTIVIDAD La metodología que se siguió para la determinación del pH y la conductividad de las muestras de suelo y polvo de acería es la siguiente: 1. Se pesaron 10 g de muestra seca (balanza Mettel PE11, 10 kg de capacidad y 0,1 g de precisión) y se los colocó en un vaso de precipitación de 100 mL. 2. Se añadieron 25 mL de agua destilada. 3. Se agitó la mezcla durante 30 min a 750 rpm, usando para el efecto un agitador magnético y una plancha de calentamiento y agitación LabTech Multi Position, de BamsteadInternational, modelo LMS - 3006. 50 4. Se dejó reposar la mezcla durante 1 h. 5. Se midieron el pH y la conductividad del sobrenadante claro (pHímetro Hanna de Waterproof, modelo Hi 98128). 2.2.6 DETERMINACIÓN DEL PODER RETENTIVO DE AGUA La metodología que se siguió para la determinación del poder retentivo de agua de la muestra de suelo agrícola se presenta a continuación: 1. Se pesó un embudo de vidrio con un papel filtro mojado adherido a éste (balanza Mettel PE11, 10 kg de capacidad y 0,1 g de precisión). 2. Se colocó la muestra sobre el embudo y se pesó el conjunto embudo - suelo. 3. Se adicionó lentamente agua, empapando completamente la muestra, y se dejó escurrir el líquido. 4. Se secó el embudo y se pesó el conjunto embudo - suelo mojado. 5. Se aplicó la siguiente ecuación: ݉ாெ െ ݉ாெ ܴܲ ൌ ൬ ൰ ൈ ͳͲͲΨ ݉ாெ െ ݉ா [ 2.4 ] Donde ݉ா es la masa del embudo, ݉ாெ es la masa del embudo con la mues- tra seca y ݉ாெ es la masa del embudo con la muestra mojada. 2.2.7 DETERMINACIÓN DE LA GRANULOMETRÍA Para la determinación de la distribución del tamaño de partícula, tanto del suelo como del polvo de acería, se empleó una serie de tamices Tyler Standard Screen Scale, de CETyler, ensamblados en un vibrotamiz Fritsch analysette (type 03.501, No. 7042) para el desarrollo del tamizado en húmedo y en un vibrotamiz ATM Arrow (modelo 168 1468), de ATM Corporation, para el tamizado en seco. El procedimiento seguido conforme al método ASTM C 136 - 05, especificado para el análisis granulométrico de agregados finos y gruesos, se describe a continuación: 51 2.2.7.1 Tamizado en húmedo (deslamado) 1. Se dispusieron en el vibrotamiz Fritsch analysette un tamiz de malla #100 (150 µm) sobre un tamiz de malla fina (malla #400, 38 µm), y éstos sobre un fondo de deslamado, como se muestra a continuación en la Figura 2.2. Malla #100 Malla #100 Malla #400 Fondo Malla #400 Fondo Vibrotamiz Vibrotamiz Material fino (<malla #400) en suspensión Material fino (<malla #400) en suspensión Figura 2.2. Distribución de los tamices para el tamizado en húmedo de las muestras 2. Se pesaron 350 g de la muestra inicial (balanza Mettel PE11, 10 kg de capacidad y 0,1 g de precisión) y se los colocó en el tamiz ubicado en la parte más alta del conjunto, que corresponde al tamiz de mayor abertura (150 µm). 3. Se tamizó la muestra por 15 min, tiempo durante el cual se alimentó continuamente agua. El efluente con el material fino menor a 38 µm en suspensión se recogió en un balde plástico, mientras que las fracciones que quedaron sobre las mallas #100 y #400 se mezclaron, secaron y sometieron a un tamizado en seco, el cual se explica a continuación. 2.2.7.2 Tamizado en seco 1. Se secó el material superior a 38 µm en la estufa Memmet a 105 ºC por 1 h. 2. Se mezcló y homogeneizó la muestra seca. 3. Se dispusieron en el vibrotamiz ATM Arrow tamices con las siguientes aberturas, en el orden que se indica (de arriba hacia abajo): 2 360 µm, 1 700 µm, 850 µm, 600 µm, 425 µm, 300 µm, 250 µm, 212 µm, 180 µm, 150 µm, 106 µm, 75 µm, 53 µm, 45 µm y 38 µm. 52 4. Se pesó la muestra seca (balanza Mettel PE11, 10 kg de capacidad y 0,1 g de precisión) y se la colocó en el tamiz ubicado en la parte más alta del conjunto, que corresponde al tamiz de mayor abertura (2 360 µm). 5. Se tamizó la muestra por 15 min. 6. Se pesó cada una de las fracciones retenidas. 2.2.8 DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE MATERIA ORGÁNICA El contenido de materia orgánica se determinó aplicando el método de Walkley Black, que consistió en: (Soriano et al., 2004, p. 54) 1. Se pesaron 0,5 g de suelo seco menor a 2 mm (balanza Mettel PE11, 10 kg de capacidad y 0,1 g de precisión), se los pulverizó (1 min, pulverizador Bleuler - mill NAEF No. HNZ 1767) y se los colocó en un Erlenmeyer de 250 mL. 2. Se agregaron 10 mL de dicromato de potasio 1 N y se agitó por 1 min. 3. Se agregaron 20 mL de ácido sulfúrico concentrado y se mezcló el contenido girando el matraz suavemente durante 1 min. 4. Se dejó reposar la mezcla durante 30 min. 5. Se agregaron 200 mL de agua destilada y se agitó lentamente durante 3 min. 6. Se dejó reposar la mezcla durante 30 min, con el objetivo de que se enfriara. 7. Se añadieron 10 mL de ácido fosfórico y 5 gotas de difenilamina (indicador), obteniéndose una mezcla de color azul pardo, la cual se agitó durante 2 min. 8. Se tituló la mezcla con sal de Mohr (sulfato ferroso amónico hexahidratado 0,5 N) hasta que su color cambió a verde, como se muestra en la Figura 2.3. 0,5 g suelo 10 mL K2Cr2O7 1 N 10 mL H3PO4 5 gotas difenilamina Mezcla, agitación y reposo (30 min) 20 mL H2SO4 Mezcla, agitación y enfriamiento (30 min) 200 mL agua destilada Titulación (cambio verde a rojo) Sal de Mohr Sal de Mohr (Sulfato ferroso amónico) Figura 2.3. Metodología seguida para la determinación del contenido de materia orgánica 53 2.2.9 DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO TOTAL DE ELEMENTOS QUÍMICOS POR ESPECTROFOTOMETRÍA DE ABSORCIÓN ATÓMICA La técnica de espectrofotometría por absorción atómica para el análisis elemental de muestras sólidas requiere que éstas se encuentren disueltas en solución, de modo que tanto el suelo agrícola como el polvo de acería se sometieron a ensayos de disgregación, mismos que se describen en esta sección. 2.2.9.1 Calcinación de las muestras de suelo agrícola Debido a la alta concentración de materia orgánica en el suelo agrícola, fue necesario calcinar la muestra antes de someterla a una disgregación. Para esto, se siguió el procedimiento que se indica a continuación: 1. Se pesaron 50 g de muestra seca menor a 2 mm (balanza Mettel PE11, 10 kg de capacidad y 0,1 g de precisión), se los pulverizó (1 min, pulverizador Bleuler - mill NAEF No. HNZ 1767) y se los colocó en una bandeja metálica. 2. Se calcinó el suelo a 450 ºC (Mufla Snol, Modelo 8,2/1100, IP20 No. 10731) durante 2 h. 3. Se dejó reposar la muestra calcinada durante 30 min, a fin de que se enfriara. 2.2.9.2 Disgregación ácida de las muestras de suelo agrícola y análisis químico El método seguido para la disgregación ácida del suelo agrícola es el siguiente: 1. Se pesaron 200 mg de muestra calcinada (balanza Sartorius TE1245, 115 g de capacidad y 0,1 mg de precisión) y se los colocó en un reactor de teflón. 2. Se agregaron al reactor de teflón 3 mL de ácido nítrico grado analítico y 3 mL de ácido fluorhídrico grado analítico. 3. Se cerró herméticamente el reactor, empleando una llave diseñada para ello. 4. Se agitó suavemente la mezcla a fin de disolver la muestra. 5. Se colocaron 400 mL de agua destilada en un vaso de precipitación de 1 L. 54 6. Se introdujeron el reactor de teflón y el vaso de precipitación en un horno microondas (Microwave Oven House hold Samsung, Modelo Mw1440Wt) y se los calentó durante 2,5 min a la mitad de la potencia (nivel de potencia 5), siendo la función del agua destilada absorber el exceso de radiación. 7. 8. Se sacó el reactor de teflón del microondas y se lo sometió a refrigeración durante 30 min (refrigerador Singer, sección Freezer, ൏0 ºC de temperatura). Se agregaron 5 mL de ácido clorhídrico grado analítico, y se repitió el proce- dimiento anterior a partir del punto 3. 9. Se filtró la solución resultante a fin de remover el exceso de materia orgánica. 10. Se aforó la solución clarificada a 100 mL en un matraz balón de ese volumen, y se la envió al análisis de Al, Ca, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Na, Pb y Zn por espectrofotometría de absorción atómica (equipo AAnalyst 300, de Perkin Elmer). 2.2.9.3 Disgregación ácida de las muestras de polvo de acería y análisis químico El método seguido para la disgregación ácida del polvo de acería es el siguiente: 1. Se pesaron 400 mg de muestra (balanza Sartorius TE1245, 115 g de capacidad y 0,1 mg de precisión) y se la colocó en un reactor de teflón. 2. Se agregaron al reactor de teflón 16 mL de ácido perclórico, 2 mL de ácido nítrico grado analítico y 3 mL de ácido fluorhídrico grado analítico. 3. Se repitió el procedimiento indicado en la sección anterior (punto 2.2.9.2), desde el punto 3 hasta el punto 7. 4. Se filtró la solución resultante. 5. Se aforó la solución filtrada (denotada como “solución fuerte”) a 100 mL y se la envió al análisis por espectrofotometría de absorción atómica. 6. Se lavó el residuo sólido insoluble retenido en el papel filtro con agua destilada y se lo secó a 110 ºC por 1 h (mufla Memmet). 7. Se colocó el residuo insoluble en un crisol de platino. 8. Se pesó 1 g de bórax (carga fundente) y se lo añadió al crisol. 9. Se introdujo el crisol con el residuo sólido y el bórax en la mufla (Mufla Snol, Modelo 8,2/1100, IP20 No. 10731), y se lo fundió a 950 ºC por 30 min. 10. Se retiró el crisol de la mufla y se lo dejó enfriar durante 30 min. 55 11. Se retiró el cristal formado en el fondo del crisol de platino con ayuda de agua destilada y se lo colocó en un matraz balón de 100 mL. 12. Se aforó el agua residual del lavado (denotada como “solución de lavado”) a 100 mL y se la envió al análisis por espectrofotometría de absorción atómica. 13. Se añadió agua destilada y se agitó la mezcla hasta disolver el cristal. 14. Se aforó la solución resultante a 100 mL, y se la envió al análisis por espectrofotometría de absorción atómica. 15. Se midieron las concentraciones de Cd, Fe, Pb y Zn por espectrofotometría de absorción atómica (equipo AAnalyst 300 de Perkin Elmer) en la solución fuerte, la solución de lavado y en la solución del residuo insoluble. 2.2.10 DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO TOTAL DE ELEMENTOS QUÍMICOS POR MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA Las muestras de suelo agrícola y polvo de acería se caracterizaron químicamente en el microscopio electrónico de barrido Tescan Vega, de Bruker. Para esto, los sólidos se pulverizaron (1 min, pulverizador Bleuler - mill NAEF No. HNZ 1767), se colocaron en un portamuestras adecuado y se analizaron en el equipo mencionado, determinándose la concentración de las especies más representativas. 2.2.11 ANÁLISIS MINERALÓGICO POR DIFRACCIÓN DE RAYOS X El proceso seguido para el análisis mineralógico del polvo de acería y del suelo agrícola pulverizado (1 min, pulverizador Bleuler - mill NAEF No. HNZ 1767) es: 1. Se pesó 1 g de la muestra (balanza Mettel PE11, 10 kg de capacidad y 0,1 g de precisión) y se la molió en un mortero de ágata, con un pistilo del mismo material, hasta alcanzar un tamaño de partícula mínimo. 2. Se colocó la muestra en un portamuestras adecuado y se la envió al análisis por difracción de rayos X en el equipo D8 Advance (Bruker axs - Siemens) bajo las siguientes características: monocromador CuKα (λ = 1,5418 A), barrido de 3 º a 90 º 2θ, pasos de 0,02 º y un tiempo de 1 s por paso. 56 Los difractogramas obtenidos se evaluaron con los programas Eva (análisis cualitativo) y Topas2 (análisis cuantitativo) de la aplicación Diffrac Plus Evaluation de Bruker. Las fases mineralógicas de las muestras se identificaron por comparación con espectros de difracción de la base de datos del Centro Internacional de Datos de Difracción (International Centre for Diffraction Data, ICDD). 2.2.12 ANÁLISIS TOXICOLÓGICO TCLP SOBRE EL POLVO DE ACERÍA Para el desarrollo del test TCLP sobre el polvo de acería se ejecutó el procedimiento que se indica a continuación, conforme al método EPA 1311 definido para la caracterización toxicológica de residuos sólidos. 1. Se pesaron 20 g de polvo de acería (balanza Mettel PE11, 10 kg de capacidad y 0,1 g de precisión) y se los mezcló con 400 mL de agua destilada, obteniéndose una pulpa con una relación sólido: líquido de 1: 20. 2. Se reguló el pH de la pulpa a 4,5 (pHímetro Hanna de Waterproof, modelo Hi 98128), empleándose aproximadamente 5 mL de ácido acético puro. 3. Se agitó la pulpa continuamente durante 18 h a 750 rpm, usando un agitador magnético y una plancha de calentamiento y agitación LabTech Multi - Position, de BamsteadInternational, modelo LMS - 3006. 4. Se filtró la pulpa, se tomaron 10 mL de la solución y se los envió al análisis por absorción atómica (equipo AAnalyst 300, Perkin Elmer), cuantificándose los siguientes elementos: Ag, As, Ba, Cd, Cr, Fe, Hg, Ni, Pb, Se, V y Zn. 2.3 CARACTERIZACIÓN QUÍMICA DE LOS LIXIVIADOS GENERADOS POR UNA CAPA DE 15 cm DE POLVO DE ACERÍA PERCOLADOS A TRAVÉS DE SUELO NO AFECTADO A continuación se detallan los ensayos desarrollados para la obtención y caracterización de los lixiviados generados por una capa de 15 cm de polvo de acería percolados a través de suelo no afectado. 57 2.3.1 ENSAYOS EN COLUMNA 2.3.1.1 Diseño de las columnas de percolación Como se indicó en el punto 1.2.2.2, los dispositivos que se emplean para obtener el líquido que percola a través de un suelo son los lisímetros. La literatura sugiere que éstos pueden ser de vidrio y de forma cilíndrica, constituyéndose columnas de percolación a nivel de laboratorio. (Martín, López y Calera, 2005, p. 247) El diseño e instalación de las columnas de percolación se basó en el método de desplazamiento, que consiste en empacar el suelo en un cilindro de metal, vidrio o plástico, provisto de una salida en el fondo. Como se advierte en la Figura 2.4, por la parte superior de la columna se vierte la solución desplazante, la cual forma una zona de saturación que crece hacia abajo con el paso del líquido, mientras que a la base del cilindro llega la solución del suelo. (Zapata, 2002, p. 1) Lana de vidrio Polvo de acería Solución desplazante (agua potable) Lana de vidrio Suelo Lixiviado Solución del suelo Figura 2.4. Representación de la percolación del agua a través del sistema de suelo agrícola y polvo de acería por el método de desplazamiento simple Según lo recomienda Zapata (2002), a la salida de la columna debe colocarse una malla de lana de vidrio que filtre la solución emergente e impida la salida del suelo, y ha de acoplarse un embudo que facilite la recolección del lixiviado (p. 3). En la Figura 2.5 se presentan más adelante los accesorios, y la disposición de los mismos, de los lisímetros a utilizarse para la evaluación de los cambios físicos y químicos que se producen en el suelo afectado por la adición de polvo de acería. En cuanto al empaquetamiento del suelo, éste debe ser determinado en función de la humedad y textura de la muestra. En un medio poco compacto la solución 58 desplazante percola rápidamente, teniendo insuficiente contacto con la solución del suelo, mientras que una alta compactación impide que la solución desplazante penetre. Un empaquetamiento intermedio, en cambio, hará que la solución desplazante avance de tal modo que se podrá recolectar un volumen suficiente de lixiviado para su análisis, sin que el tiempo que transcurre dé lugar a cambios de óxido - reducción en la columna del suelo. (Zapata, 2002, p. 1) Lana de vidrio Lana de vidrio Lana de vidrio Embudo Embudo Embudo Lixiviado 1 Lixiviado 2 Lixiviado 3 Figura 2.5. Esquema de las columnas de percolación utilizadas para el estudio de la influencia de polvo de acería sobre suelo agrícola 2.3.1.2 Instalación de las columnas de percolación Una vez determinadas las especificaciones de las columnas de percolación, se procede con su instalación. A continuación se detalla el procedimiento seguido. 1. Se conformaron las unidades experimentales necesarias para el análisis. A fin de tener información suficiente para la comparación entre la solución del suelo no afectado, los lixiviados generados por el polvo de acería y los lixiviados generados por el polvo de acería percolados a través del suelo, se establecieron los siguientes elementos para las unidades experimentales: a. Unidad 1: 5 cm de granito y 50 cm de suelo b. Unidad 2, 3, 4: 5 cm de granito, 50 cm de suelo y 15 cm de polvo de acería c. Unidad 5: 5 cm de granito y 15 cm de polvo de acería 59 A continuación se presenta la Figura 2.6, en la que se reproducen los constituyentes de las unidades experimentales indicadas y su secuencia. Polvo Suelo Suelo Granito Granito Polvo Granito Figura 2.6. Disposición de las capas de polvo de acería, suelo y granito en los lisímetros 2. Se seleccionó el número de columnas a utilizarse en función de las repeticiones que se consideraron necesarias para cada unidad experimental. Debido a que una parte de la metodología de este proyecto consiste en estabilizar el lixiviado generado por el polvo de acería y percolado a través del suelo, lo cual implica el uso de cantidades importantes de este líquido además de una atención especial en su composición, la unidad experimental 2 se repitió dos veces, teniéndose tres columnas con granito, suelo y polvo de acería. 3. Se seleccionaron cinco columnas de vidrio de 6 cm de diámetro y 75 cm de altura, y se cubrió la parte inferior de las mismas con tela de lana de vidrio. 4. Se instalaron las columnas de percolación, acoplándolas a un bloque de madera hueco ubicado sobre un trípode, con una cavidad de 6,5 cm de diámetro a lo largo del bloque, y sosteniéndolas con pizas de tres dedos en un soporte. 5. Se acopló un embudo a la salida de cada columna, y en la boca de éste se ubicó un vaso de precipitación de 250 mL, tal como se indica en la Figura 2.7. 6. Se colocaron los materiales correspondientes a cada unidad experimental en las columnas de percolación, separando las distintas capas con tela de lana de vidrio, como se muestra en la Figura 2.7. 7. Se sujetaron al soporte cinco botellas de agua mineral de 2,5 L, una por columna, y se acopló a cada una de éstas un equipo de venóclisis con el que se dosificó el agua potable a los diferentes sistemas. En este punto, se aseguró que la distancia entre el gotero del dispositivo de venóclisis y la superficie de la columna de sólido sea la misma, tal como se representa en la Figura 2.5. 8. Se reguló el flujo de agua alimentado por el equipo de venóclisis a 0,15 mL/h, equivalentes a la precipitación media anual de Latacunga igual a 455 mm. 60 Bloque de madera Tela de lana de vidrio Figura 2.7. Esquema de instalación de las columnas de percolación 2.3.2 CARACTERIZACIÓN QUÍMICA DE LOS LIXIVIADOS Los lixiviados obtenidos en cada columna se recogieron cada 3 días, se homogeneizaron y se filtraron con papel filtro analítico. Entonces se sometieron a las pruebas que se indican a continuación. 2.3.2.1 Determinación del caudal Para la medición del caudal de descarga de los lixiviados y de alimentación del agua potable se usó un cronómetro Stopwatch (modelo BOE240, 0,01 s de precisión) y una probeta graduada de 10 mL (0,2 mL de precisión). Con este material se midió el volumen de líquido recogido por 24 h en cada unidad experimental. 61 2.3.2.2 Determinación del pH Para la medición del pH de los lixiviados filtrados se utilizó el pHímetro Hanna de Waterproof (modelo Hi 98128). Esta determinación se desarrolló tres veces, homogeneizando la solución y dejándola reposar por 3 min antes de cada medida. 2.3.2.3 Determinación del contenido de carbón orgánico total La determinación del contenido de carbón orgánico de los lixiviados recolectados se efectuó con el Analizador de carbón orgánico total TOC - 5000 A de Shimadzu (modelo TOC - 5000 CE, No. 37901962 A), provisto de un detector infrarrojo para dióxido de carbono. Como combustible se utilizó oxígeno puro AGA, de Airgas. Cada una de las muestras de lixiviado filtrado se analizaron bajo los siguientes parámetros: 4 lavados, máximo 2 inyecciones por medida y volúmenes por inyección de 15 μL para la evaluación de carbón total y 11 μL para carbón inorgánico. 2.3.2.4 Análisis químico por espectrofotometría de absorción atómica Los lixiviados se analizaron en el equipo de absorción atómica AAnalyst 300 de Perkin Elmer. Los elementos químicos que se midieron en cada una de las muestras son: Ag, Al, As, Ba, Ca, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, K, Mg, Na, Ni, Pb, Si, V y Zn, parámetros contemplados en el Texto Unificado de Legislación Ambiental Secundaria (TULAS) para el control de descargas líquidas a cuerpos de agua dulce. Adicionalmente se desarrolló el mismo análisis sobre una muestra de agua potable, a fin de disponer de concentraciones base para el cálculo de la tasa de disolución de los elementos químicos indicados. Cabe indicar que, luego de efectuada la caracterización química, los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola, correspondientes a las unidades experimentales 2, 3 y 4, se mezclaron y almacenaron a temperatura ambiente en botellas de polietilen tereftalato (PET) hasta el desarrollo de los ensayos de estabilización, los cuales se describen en la sección posterior. 62 2.4 EVALUACIÓN DE LOS CAMBIOS FISICOQUÍMICOS QUE SE PRODUCEN EN SUELO AFECTADO POR LA ADICIÓN DE UNA CAPA DE 15 cm DE POLVO DE ACERÍA Durán (2003) explica que, desde el punto de vista morfológico, las propiedades del suelo cambian muy poco durante largos períodos si éste no ha sido afectado a consecuencia de las actividades antropológicas; en cambio, la composición de la solución del suelo sufre variaciones constantes en respuesta a la meteorización de los minerales, las reacciones de adsorción - desorción de iones, la lixiviación y los cambios en el contenido de agua del sistema, (p. 2) además de otros procesos que no se aplican a las condiciones ensayadas en el presente proyecto. En adición, la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (2010) afirma que la meteorización del material por el agua modifica la composición química del suelo y consecuentemente su conductividad y pH (p. 1). Por lo tanto, debido al tiempo relativamente corto en el que se desarrollaron los ensayos en columna, se decidió no considerar las variaciones en las propiedades físicas del suelo y del polvo para la evaluación de los cambios que se producen en el suelo afectado por la adición de una capa de 15 cm de polvo de acería. Con base en lo expuesto en los párrafos anteriores, finalizado el período definido para los ensayos en columna (3 meses), se procedió con la caracterización del suelo agrícola afectado y del polvo de acería, determinándose en cada unidad experimental las propiedades siguientes: pH, conductividad y composición química. Para esto, se aplicaron los métodos detallados en los puntos 2.2.5 y 2.2.9 de la sección “Caracterización física, química y mineralógica del polvo de acería y el suelo no afectado” sobre los sólidos resultantes de las pruebas de percolación. Simultáneamente, el polvo de acería inicial y el resultante de los procesos en columna en las unidades experimentales 2 (conformada por suelo afectado con polvo) y 5 (conformada únicamente por polvo de acería) se analizaron en el microscopio petrográfico Leica y en el microscopio electrónico de barrido Tescan Vega, de Bruker. Para esto, cantidades pequeñas de cada muestra (൏0,1 mg) se coloca- 63 ron en portamuestras adecuados, previamente esterilizados con alcohol antiséptico 70% V/V, y se analizaron en los equipos mencionados. Respecto al análisis por microscopía electrónica de barrido, los polvos se adhirieron a cintas doble faz de carbón, con el objetivo de asegurar que la muestra sea conductora y de facilitar el acoplamiento de ésta al portamuestras. Así se obtuvo información que permitió identificar las diferencias entre el material no percolado con el resultante del proceso en columna, además de la influencia del polvo de acería sobre las propiedades del suelo agrícola. 2.5 EVALUACIÓN DEL PROCESO DE ESTABILIZACIÓN POR ENCAPSULACIÓN DE LOS LIXIVIADOS GENERADOS POR EL POLVO DE ACERÍA A continuación se describe el procedimiento seguido para la estabilización por encapsulación de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola luego del período de 3 meses durante el cual se desarrollaron los ensayos en columna. Adicionalmente, debido al pH de estos lixiviados, el cual en ningún caso fue menor a 6,5, se desarrolló el mismo ensayo sobre el extracto lixiviado obtenido luego de la aplicación del test TCLP sobre el polvo de acería. Lo último se hizo con el fin de evaluar la efectividad del proceso de estabilización por encapsulación bajo las peores condiciones, a las que, según los resultados presentados en la sección 3.2.2, se tiende a lo largo del tiempo. 2.5.1 ENCAPSULACIÓN DE LOS LIXIVIADOS GENERADOS POR EL POLVO DE ACERÍA Y PERCOLADOS A TRAVÉS DE SUELO AGRÍCOLA Para la encapsulación de los contaminantes presentes en los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola luego de los 3 meses de ensayos en columna, se los mezcló con cemento Portland y cal en proporciones recomendadas por Anfacal (2012), tanto para la relación cemento/cal como 64 para la relación líquido/sólido. Respecto a la primera, la literatura indica que normalmente se requiere de 20 a 30 % de cal respecto al cemento para desarrollar una fuerza aceptable en el producto (p. 1), mientras que Señas et al. (2003) utilizaron en sus estudios relaciones líquido/sólido entre 0,4 y 0,6 (p. 48). En el presente trabajo se elaboraron tres tipos de sólidos estabilizados, manteniéndose constante el tipo y la cantidad de cemento, el tipo y la cantidad de cal y el líquido de mezclado (lixiviado), y variándose únicamente la cantidad de éste último. Las relaciones líquido/sólido que se ensayaron fueron 0,4, 0,5 y 0,6. Con base en lo expuesto, el proceso seguido para la encapsulación de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola fue: 1. Se pesaron 160 g de cemento Portland y 40 g de cal micronizada (balanza Mettel PE11, 10 kg de capacidad y 0,1 g de precisión) y se los mezcló. 2. Se colocó la mezcla en un balde plástico previamente cubierto con lubricante. 3. Se adicionaron 80 mL de lixiviado y se agitó manualmente la mezcla durante aproximadamente 10 min hasta obtenerse una pasta homogénea. 4. Se secó la mezcla a temperatura ambiente durante 2 días, tiempo necesario para que ésta fragüe y se obtenga un aspecto sólido en estado fresco. 5. Se repitió dos veces el procedimiento anterior, desde el punto 1, empleándose 100 mL y 120 mL de lixiviado en el punto 3. Una vez obtenidos, los sólidos estabilizados se rociaron con agua a temperatura ambiente (agua de curado) hasta el desarrollo de los ensayos de caracterización, mismos que se detallan a continuación en la sección 2.5.3. 2.5.2 ENCAPSULACIÓN DEL EXTRACTO LIXIVIADO RESULTANTE DEL ANÁLISIS TOXICOLÓGICO TCLP SOBRE EL POLVO DE ACERÍA Para la producción de extracto lixiviado resultante de la aplicación del método EPA 1311 sobre el polvo de acería, este sólido se sometió al procedimiento des- 65 crito en el punto 2.2.12, titulado “Análisis toxicológico TCLP sobre el polvo de acería”, hasta el punto 3 con 200 g de polvo de acería, 4 L de agua destilada y 10 mL de ácido acético puro, alcanzándose con el último un pH de 4,5. La pulpa se agitó durante 18 h con un agitador mecánico de hélice a 750 rpm. Producido el extracto lixiviado, sobre éste se aplicó el proceso explicado en el punto anterior, actuando como agente de fraguado de la mezcla cemento - cal. 2.5.3 CARACTERIZACIÓN DE LOS SÓLIDOS ESTABILIZADOS Los sólidos estabilizados obtenidos con la aplicación del procedimiento señalado en el punto anterior se trataron con los análisis que se indican a continuación. Adicionalmente, en la Figura 2.8, se presenta un esquema que resume las pruebas a las que se vincularon estos sólidos para su caracterización. Ensayo de resistencia a la compresión (IRAM 1622) pH y conductividad SÓLIDO ESTABILIZADO Caracterización fisicoquímica Análisis toxicológico TCLP (EPA 1311) Densidad Humedad Figura 2.8. Ensayos desarrollados para la caracterización de los sólidos estabilizados 2.5.3.1 Caracterización física y química del sólido estabilizado 2.5.3.1.1 Determinación de la densidad La determinación de la densidad de los sólidos estabilizados se fundamentó en el método de desplazamiento de agua, para lo cual se utilizó un vaso de precipitación de 250 mL y la balanza Mettel PE11, de 10 kg de capacidad y 0,1 g de precisión. Con este material, el procedimiento que se desarrolló fue el siguiente: 66 1. Se llenó el vaso de precipitación con 250 mL de agua potable. 2. Se cortó un trozo de sólido, con ayuda de un cincel y un martillo, y se lo pesó. 3. Se colocó el sólido dentro del vaso de precipitación, hasta sumergirlo completamente en el agua. 4. Se midió el volumen de agua desplazada por el sólido. 2.5.3.1.2 Determinación de la humedad Para la determinación de la humedad del residuo estabilizado se ejecutó el método descrito en el punto 2.2.4, de la sección “Caracterización física, química y mineralógica del polvo de acería”, sobre 1 g de sólido pulverizado (1 min, pulverizador Bleuler - mill NAEF No. HNZ 1767). 2.5.3.1.3 Determinación del pH y de la conductividad Para la determinación del pH y la conductividad del residuo estabilizado se efectuó el procedimiento descrito en el punto 2.2.5, de la sección “Caracterización física, química y mineralógica del polvo de acería”, con 10 g de sólido pulverizado (pulverizador Bleuler - mill NAEF No. HNZ 1767, 1 min de pulverización). 2.5.3.2 Análisis toxicológico TCLP sobre el sólido estabilizado Para el desarrollo del test TCLP sobre el residuo estabilizado se ejecutó el procedimiento descrito en el punto 2.2.12, titulado “Análisis toxicológico TCLP sobre el polvo de acería”, con 20 g de sólido pulverizado (1 min, pulverizador Bleuler - mill NAEF No. HNZ 1767) en lugar del polvo de acería. Obtenido el extracto lixiviado, éste se analizó por espectrofotometría de absorción atómica en el equipo AAnalyst 300, de Perkin Elmer, cuantificándose los elementos contemplados en el Texto Unificado de Legislación Ambiental Secundaria (TULAS), Libro VI, Anexo 1, para el control de descargas líquidas a cuerpos de agua dulce: Ag, As, Ba, Cd, Cr, Fe, Hg, Ni, Pb, Se, V y Zn. 67 2.5.3.3 Determinación de la resistencia a la compresión del sólido estabilizado Para la determinación de la resistencia a la compresión del sólido estabilizado se empleó el equipo Tinius Olsende de Standard Dayton Company (modelo 4055, serial KM24957, frame L66, fabricado en Willow Grove, Pensilvania, Estados Unidos), de 60 t de capacidad y disponible en el laboratorio de Análisis de Esfuerzos de la Escuela Politécnica Nacional. El procedimiento que se siguió, con base en el método presentado en la norma INEN 1485 definida para la determinación de la resistencia a la compresión de adoquines, fue el siguiente: 1. Se midió el diámetro de la cara de apoyo de la placa superior del equipo. 2. Se acopló concéntricamente una rótula de segmento esférico a la cara de apoyo de la placa superior. 3. Se formaron, con ayuda de un cincel y un martillo, probetas cúbicas de cada uno de los sólidos estabilizados, obteniéndose poliedros semejantes a cubos de lado menor al diámetro de la cara de apoyo de la placa superior. 4. Se midió el largo y ancho de la cara superior de las probetas obtenidas. 5. Se sumergió las probetas en agua a temperatura ambiente durante 24 h. 6. Se colocó una de las probetas en la máquina de compresión y se introdujo, entre cada una de las placas del equipo y la probeta, una capa de tabla triplex de 10 mm de espesor y una lámina de acero de 25 mm de espesor (a fin de asegurar una distribución uniforme de la carga en las caras de la probeta), como se representa a continuación en la Figura 2.9. Lámina de acero (25 mm de espesor) Tabla triplex (10 mm de espesor) Placa superior Probeta de la muestra Placa inferior Figura 2.9. Disposición de las probetas en la máquina de compresión (Nicolalde, 2008, p. 12) 68 7. Se aplicó sobre la probeta una carga progresiva de 15 MPa/min hasta que el sólido falle, registrándose la carga máxima aplicada. 2.6 DEFINICIÓN DEL DIAGRAMA DE FLUJO DEL SISTEMA PROPUESTO PARA EL TRATAMIENTO DE LOS LIXIVIADOS GENERADOS POR EL POLVO DE ACERÍA Sobre la base del caudal promedio de los lixiviados recogidos en las unidades experimentales 2, 3 y 4 y la mejor formulación obtenida para la estabilización por encapsulación de los efluentes, y para una producción de 9 000 kg/día de polvo de acería, se definió el sistema de tratamiento propuesto y se dimensionaron los equipos necesarios para la encapsulación del lixiviado, entre los que se incluyen: a. Tanque de almacenamiento del lixiviado b. Silos para el almacenamiento de las materias primas (cemento y cal) c. Bomba para el transporte de los lixiviados desde el tanque de almacenamiento hacia la máquina mezcladora del líquido con cemento y cal Para la estimación de la capacidad de la planta se consideró que la eficiencia en la recolección de los polvos de una corriente gaseosa por parte del sistema de extracción depende del diámetro de las partículas. Según McCabe et al. (1991), para tamaños de partícula menores a 145 µm, que corresponde al d80 de la muestra de polvo de acería, la eficiencia de recolección mínima es 99,9 %. (Geankoplis, 1998, pp. 927,928; McCabe et al., 1991, pp. 1040,1041) Obtenido el flujo de polvo de acería en el aire, se calculó el área de suelo afectada por el depósito del residuo. Para esto se asumió una distribución uniforme radial del polvo de acería alrededor del foco de contaminación, conformando una capa de 15 cm de espesor sobre el suelo agrícola no afectado. Por otra parte, dado que el flujo de agua potable irrigada a los lisímetros es teóricamente igual a la tasa de precipitación de la región cuyo suelo se empleó en el 69 presente proyecto, se asumió que el caudal de descarga de los lixiviados en las columnas es el mismo en el área de transferencia que le corresponde, lo que implica que, para la superficie realmente afectada por la disposición inadecuada de polvo de acería, el caudal obtenido de los lixiviados es: ܳ௫ ௦Ó ൌ ܳ௫ ா௦௬௦ ൈ ൬ ܣ ܣ௨ ൰ [ 2.5 ] Donde ܳ௫ ௦Ó es el caudal de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola empleado para el diseño, ܳ௫ ா௦௬௦ es el caudal obtenido experimentalmente, ܣ௨ es el área de flujo de las columnas de percolación y ܣes la superficie afectada por la deposición del polvo de acería. Obtenido este valor, se dimensionó el tanque de almacenamiento de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo con la ecuación: ܸൌ ߨ ൈ ܦଶ ൈ ሺ ܮെ ʹ ή ܮ௧ െ ݈ܮ ሻ ்ܸ Ͷ [ 2.6 ] Donde ܦes el diámetro y ܮes la altura del tanque, ܮ௧ es la altura de la tapa y ݈ܮ es la altura del espacio que queda libre en el tanque. Los espesores del tanque de almacenamiento de los lixiviados a tratarse y de su tapa se determinaron con las siguientes ecuaciones matemáticas: ்݁௨ ൌ ்݁ ൌ ܲ௦Ó ή ܦ ܥ ʹ ή ܭή ܧെ ܲ௦Ó Ͳǡͺͺͷ ή ܲ௦Ó ή ܦ ܥ ܭήܧ [ 2.7 ] [ 2.8 ] Donde ܭes igual a 14 100 psi para el acero inoxidable (Perry y Green, 1999, p. 1345), mientras que, por convención, C es igual a 1/16 in y E es igual a 0,8. En cuanto a los silos de almacenamiento del cemento y la cal, sus dimensiones se precisaron considerando recipientes cilíndricos, con un factor de 1,5 entre la altura y el diámetro. 70 2.7 EVALUACIÓN ECONÓMICA DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO PROPUESTO Y COMPARACIÓN CON MÉTODOS ALTERNATIVOS Se realizó la evaluación económica de la implementación del sistema propuesto, a fin de definir el costo del tratamiento por unidad de lixiviado tratado y compararlo con el correspondiente a métodos alternativos como la depuración del lixiviado mediante electrocoagulación y fitorremediación, la estabilización directa del polvo de acería para la producción de bloques y adoquines, y la valorización del material y posterior tratamiento del residuo para la recuperación de zinc. Para los fines consiguientes, se consideraron los costos de terrenos y construcciones, maquinaria y equipos, mano de obra e insumos y servicios requeridos para el procesamiento de los lixiviados producidos por 9 000 kg/día de polvo de acería. Como ingreso se definió al no pago de las multas debidas al incumplimiento de las normas ambientales especificadas en la normativa TULAS. El análisis económico preliminar se fundamentó en los indicadores económicos punto de equilibrio y tasa de retorno sobre la inversión, los cuales se determinaron con las ecuaciones que se presentan a continuación: ܥி ܯா ൌ ൬ ൰ ൈ ͳͲͲΨ ݊ܫெ െ ܥ [ 2.9 ] Donde ܯா es el punto de equilibrio, el cual en este caso corresponde al porcenta- je de lixiviado a tratarse para alcanzar un equilibrio entre los ingresos y el costo de operación, ܥி son los costos fijos semestrales, ܥ son los costos variables semes- trales, e ݊ܫெ son los ingresos percibidos por concepto de multas. ݅ா ൌ ൬ ܴி ൰ ൈ ͳͲͲΨ ்ݒ݊ܫ [ 2.10 ] Siendo ݅ா la tasa de retorno sobre la inversión, ܴி el flujo de caja e ்ݒ݊ܫla inversión total. 71 3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1 CARACTERIZACIÓN FÍSICA, QUÍMICA Y MINERALÓGICA DEL SUELO AGRÍCOLA Y EL POLVO DE ACERÍA Seguidamente se exhiben los resultados obtenidos para la caracterización física, química y mineralógica del suelo agrícola y del polvo de acería antes y después del desarrollo de los ensayos en columna. Cabe indicar que para la determinación de los valores a presentarse se desarrollaron tres repeticiones de los ensayos correspondientes y se calculó el valor promedio, registrándose dicho valor en el capítulo actual bajo la premisa de que estos son estadísticamente iguales. 3.1.1 PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DE LAS MUESTRAS DE SUELO AGRÍCOLA Y DE POLVO DE ACERÍA Las propiedades físicas y químicas promedio del suelo agrícola y del polvo de acería iniciales, empleados en el desarrollo del presente proyecto, se exponen a continuación, en la Tabla 3.1. Tabla 3.1. Propiedades físicas y químicas iniciales del suelo agrícola y el polvo de acería Propiedad Unidad Suelo agrícola Polvo de acería Densidad aparente g/mL 0,8 0,9 Densidad real g/mL 1,8 2,5 Porosidad % 52,9 62,8 Humedad % 8,1 3,6 pH – 6,9 12,7 μS/cm 235 344 Poder retentivo de agua % 24,7 – Contenido de materia orgánica % 10,9 – Tamaño de partícula d80 μm 524,4 145,5 Tamaño de partícula d50 μm 112,3 94,0 Conductividad 72 Como se observa en la Tabla 3.1, existen diferencias importantes entre las propiedades físicas y químicas del suelo agrícola y del polvo de acería, especialmente en cuanto a la densidad, la humedad, el pH, la conductividad y el tamaño de partícula. Respecto a éste último, se advierte que el polvo de acería efectivamente es un residuo sólido peligroso, pues al menos el 80 % de las partículas que lo componen tienen un diámetro inferior a 150 μm (y el 50 % un diámetro por debajo de 100 μm), siendo particularmente perjudiciales para la salud humana porque pueden causar daños al sistema respiratorio, no sólo por su capacidad de adherirse al tejido pulmonar, sino también por su alto contenido de metales pesados, el cual se analizará más adelante, en el punto 3.1.2 de este capítulo. Adicionalmente, el tamaño de grano promedio del polvo de acería demuestra la facilidad con la que las partículas que conforman este residuo son arrastradas por el viento, permanecen en el aire y viajan lejos. Por lo tanto, es muy probable que el polvo de acería cubra un área extensa alrededor del foco de emisión, tal como lo afirman Altadill et al. (2012) respecto a los riesgos potenciales de este residuo. El pH promedio obtenido para el suelo agrícola analizado en el presente trabajo lo clasifica, de acuerdo a la nomenclatura presentada en la Tabla 1.7, como neutro, mientras que la conductividad lo encasilla como normal, según los valores expuestos en la Tabla 1.8. Si se emplean los mismos criterios para categorizar al polvo de acería, éste resulta excesivamente alcalino y ligeramente salino. Por lo tanto, en atención a los principios de transferencia de masa, con el tiempo posiblemente se desarrollará una transferencia de bases desde el residuo hacia el suelo hasta alcanzar el equilibro en el sistema. Esto implica una progresiva alcalinización del suelo, y su consecuente disminución de la capacidad de infiltración, además de la formación de carbonato de calcio, el cual hace que el suelo se hinche y sea difícil de sedimentar. (WebAcademia, 2013, p. 1) La densidad real del suelo agrícola demuestra la presencia de una concentración importante de materia orgánica en este sistema, cuya densidad es 1,3 g/cm³ según Soriano et al. (2004, pp. 59,60). En cambio, en cuanto a la densidad aparente de la muestra, cuyo valor es menor a 1 g/cm³, se puede afirmar que el suelo es de textura fina. La porosidad del suelo agrícola analizado cae dentro del rango (30 a 73 60 %) indicado por Soriano et al. (2004, p. 61) y ratifica la suposición de que el suelo es de textura fina al acercarse al límite máximo de dicho rango. Dorronsoro (2013) indica que suelos de textura fina son propensos a la erosión, y presentan una baja capacidad de retención de agua y de suministro de nutrientes, y una alta capacidad de adsorción de moléculas polares e iónicas. (p. 1) A continuación se muestran, en la Tabla 3.2, el pH y la conductividad del suelo agrícola afectado y del polvo de acería, finalizados los ensayos en columna. A fin de facilitar la comparación entre las muestras iniciales y las resultantes de los procesos en columna, se incluyen las propiedades del suelo y polvo originales. Tabla 3.2. pH y conductividad finales del suelo agrícola y del polvo de acería Sistema pH Conductividad (μS/cm) Suelo agrícola Polvo de acería Suelo agrícola Polvo de acería Muestra inicial 6,9 12,7 235,3 344,3 Suelo agrícola solo 6,4 – 241,7 – Suelo afectado con polvo de acería 7,0 11,3 232,4 339,8 Polvo de acería solo – 11,5 – 333,7 Comparando los resultados presentados en la Tabla 3.1 con los expuestos en la Tabla 3.2 se observa que no hay un cambio significativo en el pH y en la conductividad del suelo y del polvo de acería debido a los ensayos en columna. De manera general se puede observar que el pH del suelo agrícola afectado aumentó mientras que el correspondiente al polvo de acería disminuyó, lo cual indica la ganancia de sales en el primero y la pérdida de las mismas en el segundo. Sin embargo, en los sistemas en los que únicamente se tuvo suelo agrícola y polvo de acería, el pH efectivamente disminuyó, lo cual está de acuerdo a la literatura (Cepeda, 1991, pp. 108-112) debido a la pérdida de sales en estos agregados. Respecto al suelo agrícola afectado con polvo de acería, Cepeda (1991) menciona que los procesos de lavado eliminan bases del suelo, lo cual tiende a provocar 74 un descenso del pH con el tiempo (pp. 107,108), fenómeno que no se refleja en los resultados obtenidos. Sin embargo, la disminución en el pH del polvo de acería afectante sugiere una transferencia de sales desde éste hacia el suelo. En cuanto a la conductividad del polvo de acería, no se observa el mismo fenómeno que para el pH. En este caso, la conductividad del polvo de acería sólo no varía respecto a la correspondiente a la muestra inicial, mientras que para el polvo de acería acompañado con suelo agrícola, la conductividad disminuye a causa de la percolación. Respecto al suelo agrícola, la conductividad de éste aumenta cuando está sólo, y en promedio disminuye cuando está afectado con polvo de acería. Debe advertirse que, tanto para el pH como para la conductividad, las diferencias entre el suelo y el polvo iniciales con los resultantes de los procesos en columna son pequeñas, lo que indica una baja disolución de las sales que le proporcionan el carácter básico. Sin embargo, el pH es una función logarítmica de la concentración de hidronios en el sistema, de modo que cambios pequeños de pH implican variaciones mayores respecto al contenido de esta especie. 3.1.2 COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS MUESTRAS DE SUELO AGRÍCOLA Y POLVO DE ACERÍA En esta sección se presenta la composición química de las muestras de suelo agrícola y polvo de acería al inicio y final de los ensayos en columna, además del análisis respectivo para la identificación de los procesos que se desarrollaron en el sistema suelo. 3.1.2.1 Caracterización química por absorción atómica A continuación se exponen, en la Tabla 3.3, los resultados correspondientes a la composición química elemental del suelo agrícola, determinada con la técnica de espectrofotometría de absorción atómica. 75 Tabla 3.3. Composición elemental inicial y final del suelo agrícola por espectrofotometría de absorción atómica Elemento Unidades Concentración Al % 6,2 6,1 6,1 Ca % 14,2 13,4 13,5 Cr mg/kg 89,6 60,7 106,9 Cu mg/kg 78,0 34,4 41,6 Fe % 2,7 2,6 2,7 K % 11,0 10,7 10,9 Mg % 2,6 2,5 2,5 Na % 43,7 41,9 40,2 Pb mg/kg 315,5 239,4 235,1 Zn mg/kg 313,9 255,6 284,9 Muestra final Muestra inicial Suelo agrícola solo Suelo afectado con polvo de acería De los elementos acumulados en el complejo del suelo agrícola, según la caracterización química presentada en la Tabla 3.3, el sodio es el que manifiesta en mayor proporción, seguido del calcio, potasio y aluminio. Esta relación se mantiene para las muestras de suelo resultantes de los procesos en columna. En cambio, el cromo, cobre, plomo y zinc se presentan en concentraciones traza. Si se comparan los resultados presentados en la Tabla 3.3 con los tabulados en la Tabla 1.6, se advierte que las concentraciones de cobre, plomo y zinc superan el límite máximo del rango propuesto por Galán y Romero (2008, p. 49) como normal para estos metales, pero en ningún caso se alcanzan los valores anómalos, ni siquiera para las muestras de suelo afectado con polvo de acería. A fin de analizar el cambio en la concentración de las especies que conforman el suelo agrícola antes y después de los ensayos en columna, se expone a continuación la Figura 3.1, en la que se representa la concentración de los elementos aluminio, calcio, hierro, magnesio, potasio y sodio en las muestra de suelo agrícola inicial y de suelo resultante de los procesos en columna, y la Figura 3.2, para el contenido de los elementos cobre, cromo, plomo y zinc en el suelo antes y después del desarrollo de los ensayos en columna. 76 50% 45% Concentración (%) 40% Muestra inicial 35% Suelo agrícola solo 30% Suelo afectado con polvo de acería 25% 20% 15% 10% 5% 0% Al Ca Fe K Mg Na Elemento Figura 3.1. Composición elemental del suelo agrícola al inicio y fin de los ensayos respecto a los elementos Al, Ca, Fe, K, Mg y Na 350 Concentración (mg/kg) 300 250 200 Muestra inicial Suelo agrícola solo Suelo afectado con polvo de acería 150 100 50 0 Cr Cu Pb Zn Elemento Figura 3.2. Composición elemental del suelo agrícola al inicio y fin de los ensayos respecto a los elementos traza Cr, Cu, Pb y Zn A partir de los gráficos anteriores se puede inferir lo siguiente: a. La concentración de todos los elementos considerados es menor en el suelo no afectado sometido a los ensayos en columna respecto a la muestra de 77 suelo inicial, lo cual está de acuerdo a lo esperado ya que se desarrolla una elusión de estas especies debido al paso del agua potable. b. Galán y Romero (2008) revelan que la concentración de los metales acumulados en el suelo disminuye como consecuencia de los procesos de lixiviación (p. 50), información que se comprueba experimentalmente con los datos obtenidos, para los cuales la concentración en el suelo de la primera unidad experimental (compuesta únicamente de suelo) es en todos los casos menor a la correspondiente a la muestra de suelo inicial. c. La concentración de los elementos aluminio, hierro, magnesio, calcio y potasio presentan prácticamente el mismo valor para el suelo inicial y el resultante de los procesos en columna. Sin embargo, si se analizan los valores exactos presentados en la Tabla 3.3, se advierte que: i. La concentración de aluminio disminuye debido a la alimentación de agua al sistema, confirmándose que, como se indica en la literatura, percolaciones excesivas dan lugar a la lixiviación de aluminio. Asimismo, es probable que las cargas negativas se hayan equilibrado con los iones aluminio, lo cual explicaría la acidificación del suelo presupuesta anteriormente. Por otro lado, como se indica en la sección 1.2.1.3.3, la hidratación es un proceso que afecta a los óxidos de aluminio, obteniéndose hidróxidos de este metal, totalmente insolubles en agua y que aumentan el pH del medio sólido; sin embargo, se obtuvo más bien una disminución del pH, de modo que especulativamente este proceso no tuvo una incidencia importante en el cambio de las propiedades del suelo debido a la percolación o que la concentración de este tipo de óxidos fue pequeña. ii. La concentración de hierro en las muestras de suelo sometidas a los ensayos en columna es ligeramente menor respecto a la muestra sin afectar. La mayor variación se registró entre la muestra de suelo inicial y la correspondiente a la unidad experimental 1, conformada únicamente por el suelo agrícola. Esto se debe a que el polvo de acería es un sólido rico en especies de hierro (Madías, 2009, p. 39), por lo cual este elemento 78 pudo trasladarse desde el residuo de las acerías hacia el suelo afectado por el mismo. iii. La concentración de potasio en las muestras de suelo sometidas a los ensayos en columna es menor respecto a la muestra sin afectar. Como lo expone Cepeda (1991), los hidrógenos del agua tienden a intercambiarse con los cationes potasio, y el potasio que resulta de este proceso es bastante soluble, de modo que puede desalojarse en el líquido de drenaje o absorberse en la porción coloidal del suelo (p. 113). En este caso, los resultados obtenidos confirman que el potasio hidrolizado se disolvió en el fluido de drenaje, conjetura que se demuestra a continuación con el análisis de la composición química de los lixiviados. iv. Respecto al magnesio y calcio, se observa que sucede lo mismo que en el caso del potasio, de modo que muy probablemente la hidrólisis actuó sobre el suelo agrícola y estos elementos se disolvieron en el agua de irrigación, disminuyendo su concentración en el sólido. v. Thompson y Troeh (1988) indican que el potasio es un elemento difícil de disolver cuando éste se ha liberado en la solución del suelo, mientras que con el calcio no se desarrolla una fijación de ninguna clase y es retenido en los puntos de intercambio catiónico con menor intensidad que el sodio, por lo cual se lixivia con mayor facilidad. (p. 367) Por lo tanto, la concentración de sodio debería disminuir a causa de la percolación mientras que la del potasio habría de mantenerse prácticamente constante, lo cual se comprueba con los datos obtenidos experimentalmente, para los cuales la concentración de estos elementos en los suelos resultantes de los procesos en columna es prácticamente igual a la de la muestra inicial. d. Cepeda (1991) destaca la influencia de las sales de calcio y magnesio en el pH del suelo, e indica que su arrastre fuera de los horizontes superficiales del suelo modifica el pH (pp. 105,106). Respecto a los resultados experimentales expuestos en la Tabla 3.3, la concentración de calcio y magnesio en la muestra del suelo agrícola sin afectar sometido a los ensayos en columna es efec- 79 tivamente menor a la correspondiente al suelo inicial, lo que se traduce en un comportamiento similar para el pH. e. Se advierte la incorporación de cromo al suelo agrícola afectado por el polvo de acería. Esto es un problema, pues según Albert (1988), el cromo VI es un oxidante fuerte, corrosivo, irritante y más tóxico que el cromo III, y es el agente causal del cáncer de pulmón tanto en seres humanos como en animales. Sin embargo, el alto contenido de materia orgánica de un medio reduce el cromo VI a cromo III, el cual posiblemente se absorberá en las partículas formando complejos insolubles y estables. (pp. 229,238-240) f. Respecto a los elementos cobre, plomo y zinc, se observa una disminución de su concentración en las muestras de suelo a consecuencia de la irrigación de agua. Para el caso del cobre y el zinc, la mayor disminución se registró para la unidad experimental conformada únicamente por suelo agrícola, mientras que para el plomo la mayor variación se presenta en las unidades con suelo agrícola y polvo de acería. Esto implica que el polvo de acería aporta con una importante cantidad de cobre y zinc al suelo, lo cual es de esperarse dado que este residuo es rico en óxidos de los elementos mencionados. Se puede concluir que el suelo agrícola analizado tiene una importante cantidad de los cationes intercambiables calcio, magnesio, potasio y sodio. Contrariamente a lo que se indica en la literatura (Cepeda, 1991, p. 89), el calcio no es el más abundante, sino el sodio, aunque en una concentración suficiente como para que el suelo se clasifique como ligeramente salino. Desde el punto de vista físico, en todos los sistemas analizados se desarrolló un proceso de translocación, el cual consiste, según lo expone FitzPatrick (1996), en el transporte del material soluble debido al paso del agua. Esto supone el desplazamiento de las partículas finas y de las sustancias coloidales, y por lo tanto de la porción más activa del suelo. La composición elemental de las muestras de polvo de acería al inicio y final de los ensayos en columna se muestra a continuación, en la Tabla 3.4. 80 Tabla 3.4. Composición elemental inicial y final del polvo de acería por espectrofotometría de absorción atómica Elemento Unidades Concentración Cd % 0,8 0,4 0,3 Fe % 9,8 8,7 9,5 Pb mg/kg 124,1 106,3 112,4 Zn 16,4 15,6 16,2 % Muestra final Muestra inicial Suelo afectado con polvo de acería Polvo de acería solo Con en base en la composición química del polvo de acería, se advierte de manera evidente que éste es un residuo peligroso y contaminante, especialmente por la presencia importante de elementos pesados, tales como zinc, plomo y cadmio. Asimismo, se observa que la especie más concentrada en la muestra de polvo de acería inicial es el zinc, un resultado esperado de acuerdo a la literatura, dado que éste metal tiene baja solubilidad en el acero y la escoria fundida, de modo que termina en el polvo y los gases; además, la presión de vapor del zinc es superior a la presión de vapor del hierro a la temperatura a la que opera un horno de arco eléctrico. (Altadill et al., 2012, p. 1140) Por otro lado, se observa que el polvo de acería es un desecho rico en zinc, aún después de la percolación. En cuanto a las diferencias del polvo de acería inicial con el resultante de los procesos en columna, se aprecia que la concentración de todos los elementos presentados en la Tabla 3.4 disminuyó a causa de la percolación, lo cual está de acuerdo con la disminución del pH de este residuo indicada en la Tabla 3.2. 3.1.2.2 Caracterización química por microscopía electrónica de barrido con microanalizador de rayos X La caracterización química elemental por microscopía electrónica de barrido de la muestra de suelo agrícola inicial se presenta a continuación, en la Tabla 3.5. A partir de la información presentada en la misma se puede advertir el importante contenido de sílice de este sistema, además de su alta concentración de cationes como aluminio, hierro, sodio, calcio, potasio y magnesio. 81 Tabla 3.5. Composición elemental inicial del suelo agrícola por microscopía electrónica de barrido con microanalizador de rayos X Elemento Contenido (%) Elemento Contenido (%) Si 34,0 Na 4,8 ଶ 72,7 Ca 4,6 Al 9,5 K 1,5 Fe 5,5 Mg 1,3 Si se compara la composición reportada en la Tabla 3.5 con la presentada por Cepeda (1991, p. 17) en la Tabla 1.5 para la corteza terrestre, se observa que existe la misma tendencia respecto a la concentración de las especies indicadas, excepto para el calcio y el sodio. Al respecto, ya se discutió en la sección anterior que, contrariamente a lo que se indica en la literatura, existe una predominancia del sodio sobre el calcio. Por lo tanto, se comprueba que el suelo con el que se trabajó en el presente proyecto es joven y no afectado. En la Tabla 3.6 se exhibe la composición elemental del polvo de acería, determinada a partir de la técnica de microscopía electrónica. En ésta se puede observar que este desecho es rico en zinc y hierro, lo cual está de acuerdo a lo presentado por Elias (2005, p. 579) en la Tabla 1.1 para su composición química media. Sin embargo, si se comparan los contenidos de arsénico, se advierte que el polvo empleado en el presente proyecto tiene una concentración mucho mayor que la reportada como media, constituyéndose en mayor medida un desecho peligroso. Tabla 3.6. Composición elemental inicial del polvo de acería por microscopía electrónica de barrido con microanalizador de rayos X Elemento Contenido (%) Elemento Contenido (%) Zn 33,3 K 2,2 Fe 18,4 Ca 2,0 Na 6,3 Mn 2,0 Pb 3,1 Al 0,6 Mg 2,7 As 0,3 En cambio, si se confrontan los valores de la Tabla 3.5 con los de la Tabla 3.6, se advierte que el contenido de aluminio, calcio y potasio del suelo agrícola es mayor 82 al del polvo de acería, al contrario del hierro, sodio y magnesio. En cuanto al plomo, manganeso, zinc y arsénico, se advierte que éstos se manifiestan sólo en el polvo de acería, pudiendo contaminar el suelo al interactuar con el mismo. 3.1.2.3 Caracterización mineralógica por difracción de rayos X En la Tabla 3.7 se indica a continuación la composición mineralógica de la muestra de suelo agrícola inicial, obtenida a partir de la aplicación del método detallado en el punto 2.2.11 antes del desarrollo de los ensayos en columna. Tabla 3.7. Composición mineralógica inicial del suelo agrícola Mineral Fórmula química Clase Grupo plagioclasas ǡ଼ହ ǡଷସ ଵǡସ ଶǡହସ ଼ Silicato (tectosilicato) Caolinita Magnetita Cummingtonita Cuarzo Contenido (%) 82,0 ଶ ሺଶ ହ ሻሺሻସ Silicato (filosilicato) 7,0 ଷ ସ Óxido 2,0 ሺǡ ሻ ଼ ଶଶ ሺሻଶ Silicato (inosilicato) 7,0 ଶ Silicato (tectosilicato) 2,0 Total 100,0 Como se observa en la tabla anterior, la estructura química de la fase sólida del suelo agrícola, determinada por su mineralogía, es rica en silicatos. De éstos, una fracción importante (7 %) le corresponde a la arcilla caolinita, un silicato de aluminio que en este caso conforma la fracción activa del suelo. De ahí que el aluminio se presente en una concentración importante en la muestra de suelo agrícola. Autores como Besoain (1985) indican que la capacidad de intercambio catiónico de la caolinita es bajo, pues únicamente se disponen de las uniones silicio - oxígeno - aluminio en los bordes de fractura del cristal. Ésta es fuertemente dependiente del pH y reversible, lo que implica que la carga es negativa en medio básico, positiva en medio ácido y cero en medio neutro. Por otro lado, la caolinita es capaz de fijar el ion fosfato debido al intercambio de esta especie tetraédrica con los hidroxilos ubicados en el borde. (p. 340) En cambio, como lo indica Cepeda (1991, pp. 40,41), la capacidad de fijación de la caolinita respecto a los cationes 83 calcio, magnesio, potasio y sodio es baja, favoreciendo la rápida lixiviación de estos elementos, misma que se demuestra experimentalmente con los datos que se exponen más adelante. Cepeda (1991, pp. 22-25) menciona que los inosilicatos, representados por la cummingtonita en el suelo agrícola ensayado, son una fuente importante de los cationes que se alojan entre las cadenas octaédricas de su estructura, de magnesio y hierro en este caso. Al respecto, en la Tabla 3.3 se observa que las concentraciones de hierro y magnesio en las muestras de suelo antes y después de los ensayos en columna son bastante parecidas, y no cambian significativamente debido al paso del agua potable o a la presencia del polvo de acería. Por lo tanto, se puede conjeturar que los cationes magnesio y hierro no se liberaron fácilmente a causa de la meteorización, o que el desplazamiento de estos cationes desde el polvo de acería fue suficiente para contrarrestar la pérdida debida a la elusión. A continuación se presenta la Tabla 3.8, en la que se detalla la composición mineralógica del polvo de acería antes del desarrollo de los ensayos en columna. Tabla 3.8. Composición mineralógica inicial del polvo de acería Mineral Fórmula química Clase Contenido inicial (%) Óxido 40,0 ଶ ଷ Óxido 33,0 Óxido 8,0 ଶ ଷ Óxido 6,0 ଷ ସ Óxido 5,0 ଶ Silicato 4,0 Plagioclasas ሺǡ ሻሺǡ ሻଶ ଼ Silicato 4,0 Zincita Maghemita Periclasas Hematita Magnetita Cuarzo Total 100,0 Como se indicó anteriormente, el zinc es el metal más abundante en la muestra de polvo de acería inicial debido, según Altadill et al. (2012), a su baja solubilidad en el acero y en la escoria fundida y a su presión de vapor, mayor a la presión de vapor del hierro a la temperatura de trabajo. Además, cuando el zinc vapor interactúa químicamente con los otros gases y compuestos particulados que salen del 84 horno, se producen generalmente óxido de zinc () y ferrita de zinc (ଶ ସ ), lo cual también está acorde con los resultados obtenidos para la composición mineralógica del polvo de acería utilizado en el presente proyecto. (p. 1140) En este punto ha de destacarse la ausencia del óxido de plomo, el cual es frecuentemente mencionado por la literatura como un material de valor en este desecho. Respecto a la composición media propuesta por Elias (2005, p. 577) para el polvo de acería, el óxido de magnesio es el único que se puede comparar como tal, mientras que el hierro y el zinc se registran como elementos en la Tabla 1.1 y como óxidos en la Tabla 3.8. Es así que si se contrasta la concentración de óxido de magnesio de la Tabla 3.8 con el rango tabulado en la Tabla 1.1, se observa que el valor experimental supera el límite máximo teórico. Esto es importante porque esta sustancia se usa como refractario en los hornos de producción de acero, de modo que la inyección directa del polvo en el horno de arco eléctrico supondría una ventaja no sólo para su enriquecimiento en óxidos de zinc, sino también para el aprovechamiento de la fracción refractaria. Se puede notar la presencia significativa de magnetita, cuarzo y plagioclasas tanto en el suelo agrícola como en el polvo de acería. Entonces, dado que ambos sistemas estuvieron se expusieron a la irrigación de agua potable, es más probable la lixiviación de los elementos sodio y calcio en el suelo agrícola, cuya concentración de plagioclasas es mayor al 80 %, que en el polvo de acería. Asimismo, dado que los óxidos son más estables que los silicatos, y que el polvo de acería está conformado básicamente por óxidos mientras que el suelo agrícola contiene fundamentalmente silicatos, se espera un mayor cambio en la composición del suelo respecto a la variación en la composición del polvo de acería. 3.1.3 CARACTERIZACIÓN TOXICOLÓGICA DEL POLVO DE ACERÍA A continuación se presenta la Tabla 3.9, en la que se exponen los resultados obtenidos para la caracterización toxicológica de la muestra de polvo de acería inicial, determinados a partir de la aplicación del procedimiento indicado en el punto 2.2.12. En la Tabla 3.9 se incluyen además los límites de toxicidad de metales li- 85 xiviados según la metodología EPA 1311 y los límites máximos permisibles definidos para los parámetros de descarga de efluentes a cuerpos de agua dulce, según el Texto Unificado de Legislación Ambiental Secundaria (TULAS). Tabla 3.9. Caracterización toxicológica del polvo de acería conforme al método EPA 1311 Parámetro Límite máximo permisible (mg/L) Concentración del extracto lixiviado (mg/L) EPA 1311* TULAS** As 0,7 5,0 0,1 Ba 0,2 100,0 2,0 Cd 11,00 1,00 0,02 Cr 0,1 5,0 0,5 Fe 0,1 30,0 10,0 Hg <0,0001 0,2 0,005 Ni 0,4 2,0 2,0 Ag 0,0 5,0 0,1 Pb 195,0 5,0 0,2 Se 0,1 1,0 0,1 V 0,3 – 5,0 Zn 7800,0 – 5,0 * (Environmental Protection Agency, 2003, pp. 25-28) ** (Ministerio del Ambiente de Ecuador, 2003, pp. 331-335) Como se advierte en la Tabla 3.9, en el marco de la normativa EPA 1311, con la que se determina la toxicidad de residuos industriales, la concentración de cadmio y plomo supera el máximo permisible en 11 y 39 veces respectivamente, de modo que el polvo de acería se clasifica como un residuo tóxico. Adicionalmente se estipula en la norma que si los valores obtenidos experimentalmente superan los límites máximos permisibles, el residuo ensayado se considera peligroso. Por tanto, el polvo de acería ensayado en el presente proyecto efectivamente es un sólido peligroso debido a su alto contenido de cadmio y plomo. Asimismo, si se analizan los límites indicados por la normativa TULAS, se observa que, en el extracto lixiviado de la muestra de polvo de acería inicial, las concentraciones de arsénico, cadmio, plomo y zinc son mayores a los admisibles, de 86 modo que los lixiviados de este residuo no deberían entrar en contacto con los cuerpos de agua dulce si éste se sometiera a condiciones extremas de pH (4 a 5) como las que se reproducen en el test TCLP de la normativa EPA 1311. De éstos, el zinc es el metal más abundante, lo cual seguramente es consecuencia del alto contenido de este metal en la muestra original y de su fácil elusión a pHs bajos. 3.2 CARACTERIZACIÓN QUÍMICA DE LOS LIXIVIADOS GENERADOS POR UNA CAPA DE 15 cm DE POLVO DE ACERÍA PERCOLADOS A TRAVÉS DEL SUELO AGRÍCOLA En esta sección se abordan los resultados obtenidos para el desarrollo de los ensayos en columna y la caracterización de los lixiviados recogidos. 3.2.1 PARÁMETROS DE LOS ENSAYOS EN COLUMNA A continuación se presenta, en la Figura 3.3, las dimensiones de las columnas de percolación utilizadas para el desarrollo de los ensayos en columna. 6 cm 15 cm 75 cm 6 cm 50 cm 5 cm Figura 3.3. Esquema y dimensiones de las columnas de percolación diseñadas para el desarrollo de los ensayos en columna El riego se simuló dosificando a las columnas de percolación 0,15 mL/h de agua potable, equivalentes a una precipitación anual de 465 mm, valor medio de la ciu- 87 dad de Latacunga (Instituto Geográfico Militar, 2006, p. 3), para una sección transversal de 28,27 cm² de las columnas de percolación. En el fondo de la columna se recoge y mide el exceso de agua, la cual cae por gravedad y pasa por una capa de lana de vidrio, ésta última con la función de filtrar el lixiviado y sostener la columna de sólido en el lisímetro. 3.2.2 CAUDAL DE DESCARGA Y pH DE LOS DE LIXIVIADOS OBTENIDOS EN LOS ENSAYOS EN COLUMNA A continuación se exponen las propiedades de los líquidos obtenidos en cada sistema. Éstas se refieren al caudal de descarga de los lixiviados resultantes del proceso en cada columna, expuesto en la Tabla 3.10, y al pH de los mismos en función del tiempo, mostrado en la Tabla 3.11. Tabla 3.10. Caudal de los lixiviados obtenidos en cada unidad experimental Sistema Caudal (mL/h) Suelo agrícola solo 0,11 Suelo agrícola afectado con polvo de acería 0,09 Polvo de acería solo 0,07 A partir de los datos de la tabla anterior se puede advertir que el polvo de acería dificulta la infiltración del agua, dado que el caudal de los lixiviados en la columna con únicamente suelo agrícola es mayor al del suelo agrícola afectado con polvo de acería, y éste a su vez mayor al de la unidad experimental con sólo polvo de acería. Además, se nota que la altura de la capa de sólido no determinó el caudal del líquido percolado, dado que para la unidad experimental compuesta por exclusivamente polvo de acería se tuvo el menor caudal pese a que ésta se conformó exclusivamente de 15 cm de polvo de acería. En la sección 3.1.1 se indicó que el suelo ensayado debería manifestar una baja capacidad de retención de agua por ser de textura fina, idea que se evidencia con los datos presentados en la Tabla 3.10, donde se registra un caudal de 0,11 mL/h 88 para la unidad conformada únicamente por suelo, frente a los 0,15 mL/h de agua alimentados a la columna. Sin embargo, el polvo de acería se caracterizó por un tamaño de grano muy pequeño, hasta 4 veces menor al del suelo, por el cual las partículas se conglomeraron con el líquido y formaron un lodo, dificultando la percolación del agua y disminuyendo el caudal, como se demuestra en la Tabla 3.10. Tabla 3.11. pH de los lixiviados obtenidos en cada sistema en función del tiempo pH Tiempo de ensayo (días) Suelo agrícola solo Polvo de acería solo Suelo afectado con polvo de acería 13 6,9 7,9 8,8 14 8,0 8,4 9,1 16 8,5 8,9 9,8 19 7,8 8,6 8,8 21 8,4 8,8 9,3 23 8,2 8,2 8,7 26 8,5 8,1 9,3 28 8,3 7,8 8,4 30 8,5 8,5 8,8 33 8,4 8,3 9,0 35 8,2 8,2 8,5 37 8,3 8,0 8,2 42 8,2 8,0 8,3 44 7,8 8,0 7,8 47 8,3 8,0 8,2 49 8,2 8,1 8,0 51 8,0 7,7 8,1 54 8,1 7,8 7,9 61 7,6 7,8 7,6 68 8,2 8,2 8,0 75 8,1 8,3 8,3 82 7,9 8,5 8,4 89 7,8 7,7 7,5 Estos valores se representan y comparan en seguida, en la Figura 3.4, en la que se confronta el pH de los lixiviados de las distintas columnas con el tiempo. 89 10 Suelo agrícola solo Polvo de acería solo Suelo afectado con polvo de acería 9,5 9 pH 8,5 8 7,5 7 6,5 6 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Tiempo (días) Figura 3.4. pH de los lixiviados obtenidos en cada sistema en función del tiempo Como se puede observar en la Figura 3.4, el pH de los lixiviados no supera el valor de 10, lo cual justificaría una pobre disolución de elementos solubles a pHs mayores en los agregados sólidos; tal es el caso del plomo, el cual es muy soluble en rangos de pH de 12 a 13. Sin embargo, se advierte una tendencia a la baja de esta propiedad con el tiempo, lo que implicaría una acidificación de los líquidos y por lo tanto una mayor tasa de disolución de los elementos cuya solubilidad aumenta con la disminución del pH. Asimismo, en los primeros 37 días el pH de los lixiviados generados en las columnas con suelo agrícola y polvo de acería solos tendió a ser más bajo que el del sistema constituido por suelo agrícola afectado con polvo de acería, mientras que a partir de este tiempo esta propiedad empezó a tener aproximadamente el mismo valor en todas las unidades experimentales. 3.2.3 COMPOSICIÓN DE LOS DE LIXIVIADOS OBTENIDOS EN LOS ENSAYOS EN COLUMNA 3.2.3.1 Contenido de carbón orgánico total A continuación se presenta, en la Tabla 3.12, el contenido de carbón orgánico total de los lixiviados recogidos en la unidad experimental conformada por única- 90 mente suelo agrícola y en el sistema constituido por suelo agrícola afectado con polvo de acería. Los datos se oponen y comparan más adelante, en la Figura 3.5. Tabla 3.12. Contenido de carbón orgánico total de los lixiviados obtenidos en cada unidad experimental en función del tiempo Tiempo de ensayo (días) Carbón orgánico total (%) Suelo agrícola solo Suelo agrícola afectado con polvo de acería 26 53,8 7,9 33 49,1 6,3 40 40,6 6,3 47 35,2 6,4 54 45,4 7,0 61 51,2 5,9 68 58,2 6,4 70 Carbón orgánico (%) 60 50 40 30 Suelo agrícola afectado con polvo de acería Suelo agrícola solo 20 10 0 26 33 40 47 Tiempo (días) 54 61 68 Figura 3.5. Contenido de carbón orgánico total de los lixiviados en función del tiempo La literatura define al carbón orgánico total como un parámetro que determina la calidad del agua, pues representa la concentración de materia orgánica del líquido (EcoPortal y Ambiente y Sociedad, 2012, p. 3). Por lo tanto, como se puede advertir en la Figura 3.5, el contenido de carbón orgánico de los lixiviados obtenidos en el lisímetro con suelo agrícola y polvo de acería se mantiene prácticamente constante, y es mucho menor al registrado en los lixiviados de la columna con únicamente suelo agrícola. Esto sugiere que la deficiente aireación del suelo agrí- 91 cola impidió la solubilización de la fracción orgánica en el agua de percolación. Por lo tanto, la presencia del polvo de acería no sólo induce a una acumulación de los metales hierro y cobre en el sistema, sino también de materia orgánica. 3.2.3.2 Caracterización química por espectrofotometría de absorción atómica En las tablas que se presenta a continuación se señala la composición química de los lixiviados recogidos en las unidades experimentales conformadas por suelo agrícola solo, suelo agrícola afectado con polvo de acería, y polvo de acería solo. A fin de facilitar la comparación entre los lixiviados recogidos y el agua alimentada a cada unidad experimental, en las tablas posteriores se incluye la caracterización química del agua potable que se distribuye en el Distrito Metropolitano de Quito (basada en un informe presentado por la Empresa Pública Metropolitana de Agua Potable y Saneamiento en el año 2012), a la cual le pertenece la composición detallada para un tiempo igual a 0 días. Con el mismo objetivo, para cada elemento se resaltan las celdas cuyo valor es menor al correspondiente al líquido dosificado al sistema (tiempo igual a 0 días), se negrean las cantidades cercanas al límite máximo establecido por la normativa TULAS para la descarga de efluentes a cuerpos de agua dulce, y se negrean y subrayan los datos mayores a dicho límite. Tabla 3.13. Concentración de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, As, Ni y Pb en los lixiviados producidos en la unidad experimental conformada por suelo agrícola solo Concentración (mg/L) Tiempo (días) Si Al Na K Ca Mg Fe 0* 7,0 0,0 7,5 5,5 6,0 0,7 13 18,0 0,4 329,0 284,0 162,0 14 21,0 1,3 98,2 128,2 16 18,0 2,0 66,5 19 22,0 1,9 21 14,0 23 16,0 Cr Cu Zn 0,5 0,0 0,02 45,0 1,1 0,0 12,3 2,9 99,7 5,0 58,2 86,4 1,2 53,5 1,4 64,8 Ni Pb 0,0 0,0 0,01 0,0 0,07 0,1 0,0 0,01 0,1 2,0 0,0 0,19 0,1 0,0 0,02 0,1 1,4 1,7 0,0 0,06 0,1 0,1 0,02 <0,1 3,6 1,0 1,2 0,1 0,03 0,1 0,1 0,02 <0,1 85,8 2,9 0,5 1,0 0,0 0,03 0,1 0,0 0,02 <0,1 102,2 5,7 1,2 2,4 0,0 0,07 0,1 0,0 0,03 <0,1 * (Empresa Pública Metropolitana de Agua Potable y Saneamiento, 2012, pp. 28,29) As 92 Tabla 3.13. Concentración de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, As, Ni y Pb en los lixiviados producidos en la unidad experimental conformada por suelo agrícola solo (continuación …) Concentración (mg/L) Tiempo (días) Si Al Na K Ca Mg Fe Cr Cu Zn As Ni Pb 26 13,0 1,3 58,8 94,0 8,9 1,3 1,7 0,0 0,06 0,1 0,0 0,03 <0,1 28 16,0 1,8 79,1 126,7 6,6 1,6 3,6 0,0 0,08 0,1 0,0 0,03 <0,1 30 15,0 2,0 78,5 127,1 6,4 1,5 4,9 0,0 0,07 0,0 0,0 0,02 <0,1 33 17,0 0,9 54,0 95,8 3,5 0,4 1,2 0,0 0,02 0,0 0,0 0,03 <0,1 35 14,0 0,4 42,0 75,1 2,9 0,2 0,7 0,0 0,08 0,2 0,0 0,01 <0,1 37 15,0 0,6 36,3 66,9 2,3 0,3 1,2 0,0 0,06 0,1 0,0 0,05 <0,1 42 12,0 0,8 48,4 91,0 3,5 0,7 1,5 0,0 0,04 0,2 0,1 <0,01 <0,1 44 14,0 0,9 40,0 76,7 3,3 0,6 1,9 0,0 0,05 0,1 0,0 0,02 <0,1 47 15,0 0,7 38,0 76,7 3,1 0,5 1,0 0,0 0,03 0,0 0,0 0,01 <0,1 49 17,0 0,7 46,3 93,1 2,4 0,5 3,2 0,0 0,09 0,1 0,0 0,03 <0,1 51 16,0 0,8 39,8 89,5 3,9 0,8 2,3 0,0 0,06 0,0 0,0 0,03 <0,1 54 16,0 0,6 – – – – 1,9 0,0 0,14 0,1 – 0,02 <0,1 61 15,0 0,4 – – – – 3,9 0,0 0,08 0,0 – 0,02 <0,1 68 12,0 0,7 – – – – 1,7 0,0 0,06 0,0 – <0,01 <0,1 75 15,0 0,5 – – – – 1,5 0,0 0,03 0,0 – 0,01 <0,1 82 15,0 0,5 – – – – 0,5 0,0 0,02 0,0 – 0,01 <0,1 89 14,0 0,3 – – – – 0,2 0,0 0,02 0,1 – 0,03 <0,1 Al comparar los valores presentados en la tabla anterior con los límites máximos permisibles según la normativa TULAS (Libro VI, Anexo 1), mismos que se detallan en la Tabla A.III.1 del Anexo III, se advierte que este lixiviado cumple con lo requerido para poder ser descargado en cuerpos de agua dulce, lo cual está de acuerdo a lo que se esperaba, dado que la unidad experimental correspondiente está conformada solamente por suelo agrícola. En la Tabla 3.14 se muestra a continuación la caracterización química de los lixiviados obtenidos en la unidad experimental conformada únicamente por polvo de acería y la composición del agua alimentada al sistema, a la cual le corresponden los valores registrados para el tiempo igual a 0 días. 93 Tabla 3.14. Concentración de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, As, Ni y Pb en los lixiviados producidos en la unidad experimental conformada por polvo de acería solo Concentración (mg/L) Tiempo (días) Si Al Na K Ca Mg Fe 0* 7,0 0,0 7,5 5,5 6,0 0,7 13 28,0 0,2 8,0 20,7 11,9 14 24,0 0,3 6,9 11,0 16 21,0 0,5 6,9 19 31,0 0,6 21 16,0 23 Cr Cu Zn As Ni Pb 0,5 0,0 0,02 0,0 0,0 0,01 0,0 4,6 0,1 0,0 0,07 <0,01 0,1 0,01 <0,1 8,9 3,4 0,1 0,1 0,03 0,1 0,1 <0,01 <0,1 11,0 6,8 2,7 0,2 0,1 0,01 0,1 0,1 <0,01 <0,1 6,8 10,2 5,9 2,3 0,1 0,1 0,04 0,1 0,0 0,01 <0,1 0,4 16,7 18,4 10,7 2,9 1,0 0,0 0,02 0,0 0,0 0,01 <0,1 12,0 0,6 18,3 11,1 6,5 2,0 0,2 0,0 0,02 0,0 0,0 <0,01 <0,1 26 14,0 0,4 17,2 7,7 4,7 1,3 1,0 0,0 0,02 0,1 0,0 0,01 <0,1 28 18,0 0,5 23,3 11,5 9,1 3,2 2,1 0,0 0,02 0,0 0,0 0,01 <0,1 30 18,0 0,2 22,3 11,7 23,2 3,2 0,7 0,0 0,02 0,1 0,0 0,01 <0,1 33 17,0 0,3 22,2 8,2 6,4 2,0 0,3 0,0 0,01 0,1 0,1 0,01 <0,1 35 17,0 0,5 19,2 4,9 3,7 1,0 0,2 0,0 0,03 0,0 0,1 0,03 <0,1 37 11,0 0,6 18,5 5,7 5,2 1,1 0,2 0,0 0,04 0,1 0,0 0,02 <0,1 42 17,0 0,4 23,0 6,7 5,6 2,0 0,2 0,0 0,02 0,1 0,1 0,01 <0,1 44 15,0 0,3 30,7 18,3 8,4 3,2 0,2 0,0 0,08 0,0 0,1 0,03 <0,1 47 15,0 0,6 19,2 6,9 5,3 1,9 1,4 0,0 0,03 0,1 0,0 0,03 <0,1 49 15,0 0,3 22,0 10,6 5,1 2,0 2,5 0,0 0,04 0,1 0,0 0,03 <0,1 51 20,0 0,4 29,1 13,1 6,9 2,6 1,8 0,0 0,27 0,3 0,0 0,06 <0,1 54 18,0 0,1 – – – – 0,1 0,0 0,07 0,1 – <0,01 <0,1 61 16,0 0,2 – – – – 0,4 0,0 0,03 0,0 – <0,01 <0,1 68 16,0 0,1 – – – – 0,5 0,0 0,02 0,0 – <0,01 <0,1 75 18,0 0,2 – – – – 0,1 0,0 0,02 0,0 – 0,01 <0,1 82 17,0 0,1 – – – – 0,2 0,0 <0,01 1,9 – 0,01 <0,1 89 21,0 0,2 – – – – 0,2 0,0 <0,01 0,0 – 0,01 <0,1 * (Empresa Pública Metropolitana de Agua Potable y Saneamiento, 2012, pp. 28,29) Como se advierte en la Tabla 3.14, los lixiviados recogidos en la unidad conformada únicamente por polvo de acería no presentan concentraciones prohibidas de cromo, sino más bien de arsénico y en los primeros 16 días de experimentación, siendo sus niveles normales luego de este tiempo. Esto posiblemente se deba a que la movilidad de los cationes en un agregado sólido disminuye a medida 94 que aumenta el pH, y el polvo de acería se clasifica como altamente alcalino. Sin embargo, aun cuando el único elemento conflictivo es el arsénico, los lixiviados generados por el polvo de acería con cumplen con los requisitos para ser descargados a cuerpos de agua dulce según la normativa TULAS. Por otro lado, debido a la importancia para el presente proyecto de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo, se desarrollaron tres réplicas de esta unidad experimental. Los datos obtenidos en las columnas se analizaron estadísticamente con el método ADEVA en el programa Statgraphics, bajo los siguientes parámetros: a. Tipo de análisis: Single Factor Categorical b. Factor: Elemento químico c. Número de niveles: 13 (Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, As, Ni y Pb) d. Variable de respuesta: Concentración e. Número de réplicas: 2 (2 réplicas y 1 testigo, 3 unidades en total) Obteniéndose los siguientes resultados para un 95% de confianza: Tabla 3.15. Niveles críticos en los contrastes de análisis de varianza de los datos obtenidos para la unidad conformada por suelos agrícola afectado con polvo de acería (Ƚ = 0,05) Niveles críticos P-Value Tiempo (días) Si Al Na 0 0,50 0,21 13 0,24 14 K Ca Mg Fe Cr Cu Zn As Ni Pb 0,18 0,45 0,28 0,24 0,13 0,11 0,45 0,24 0,50 0,35 0,36 0,04 0,08 0,40 0,14 0,33 0,02 0,08 0,18 0,49 0,09 0,16 0,27 0,21 0,11 0,48 0,05 0,01 0,43 0,17 0,31 0,02 0,02 0,25 0,29 0,10 16 0,15 0,31 0,16 0,32 0,39 0,26 0,07 0,08 0,08 0,10 0,09 0,33 0,30 19 0,45 0,11 0,05 0,32 0,38 0,09 0,42 0,12 0,01 0,19 0,37 0,14 0,18 21 0,28 0,27 0,39 0,01 0,43 0,48 0,40 0,37 0,46 0,23 0,24 0,18 0,20 23 0,42 0,06 0,24 0,04 0,04 0,39 0,29 0,32 0,22 0,31 0,14 0,16 0,10 26 0,50 0,04 0,26 0,48 0,50 0,33 0,23 0,27 0,23 0,26 0,39 0,25 0,31 28 0,34 0,25 0,31 0,41 0,28 0,18 0,21 0,48 0,34 0,33 0,32 0,17 0,33 30 0,06 0,11 0,33 0,25 0,39 0,07 0,22 0,03 0,06 0,34 0,44 0,32 0,37 33 0,10 0,24 0,23 0,04 0,44 0,44 0,27 0,00 0,24 0,33 0,46 0,39 0,20 95 Tabla 3.15. Niveles críticos en los contrastes de análisis de varianza de los datos obtenidos para la unidad conformada por suelos agrícola afectado con polvo de acería (Ƚ = 0,05) (continuación …) Niveles críticos P-Value Tiempo (días) Si Al Na 35 0,21 0,32 37 0,10 42 K Ca Mg Fe Cr Cu Zn As Ni Pb 0,04 0,07 0,03 0,02 0,07 0,28 0,09 0,22 0,38 0,37 0,16 0,18 0,37 0,47 0,04 0,25 0,41 0,45 0,02 0,07 0,19 0,06 0,43 0,35 0,01 0,23 0,19 0,45 0,26 0,28 0,33 0,11 0,03 0,09 0,26 0,46 44 0,12 0,27 0,42 0,44 0,25 0,16 0,25 0,18 0,13 0,33 0,19 0,24 0,04 47 0,43 0,29 0,25 0,07 0,14 0,34 0,12 0,39 0,22 0,15 0,11 0,49 0,23 49 0,41 0,09 0,38 0,20 0,49 0,07 0,29 0,18 0,30 0,30 0,30 0,33 0,41 51 0,11 0,06 0,12 0,50 0,49 0,37 0,02 0,48 0,13 0,32 0,28 0,25 0,37 54 0,21 0,79 – – – – 0,31 0,29 0,10 0,79 – 0,82 0,78 61 0,64 0,13 – – – – 0,58 0,48 0,16 0,91 – 0,29 0,95 68 0,07 0,90 – – – – 0,14 0,34 0,63 0,48 – 0,36 0,47 75 0,88 0,24 – – – – 0,66 0,53 0,98 0,77 – 0,17 0,31 82 0,93 0,92 – – – – 0,49 0,34 0,19 0,32 – 0,72 0,01 89 0,10 0,74 – – – – 0,82 0,12 1,00 0,97 – 0,35 0,19 A fin de facilitar la identificación de las ternas de concentraciones con diferencia estadísticamente significativa, se colorearon de rojo los datos P-Value menores a 0,05. Es así que, de manera general, se advierte que las columnas 2, 3 y 4, conformadas por suelo agrícola y polvo de acería, presentan un comportamiento estadísticamente similar en la mayoría de puntos. Además se observa que las ternas estadísticamente diferencias disminuyen con el tiempo, lo cual indica que los resultados son más confiables a medida que éste aumenta. Respecto a los elementos químicos, el silicio, arsénico y níquel son los que presentan una totalidad de resultados estadísticamente iguales, a diferencia del calcio y el magnesio, cuyos P-Values son menores a 0,05 para algunas ternas. Con base en lo expuesto en el párrafo anterior, se puede aceptar el promedio de los datos recogidos en las unidades experimentales 2, 3 y 4 como el resultado correspondiente al sistema suelo agrícola afectado con polvo de acería, mismo que se expone inmediatamente, en la Tabla 3.16. 96 Tabla 3.16. Concentración de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, As, Ni y Pb en los lixiviados producidos en el suelo agrícola afectado con polvo de acería Concentración (mg/L) Tiempo (días) Si Al Na K Ca Mg Fe Cr Zn As Ni Pb 0* 7,0 0,0 7,5 5,5 6,0 0,7 0,5 0,0 0,02 0,0 0,0 0,01 0,0 13 11,0 0,3 1439,4 2302,6 240,8 4,4 0,0 1,6 0,06 0,2 0,1 <0,01 0,1 14 11,0 0,2 202,2 297,0 98,7 3,0 0,0 1,2 0,03 0,1 0,0 16 10,7 0,6 57,7 57,3 67,2 3,3 0,0 0,9 0,03 0,0 0,1 <0,01 0,0 19 13,3 0,7 25,9 12,8 46,4 3,3 0,0 0,8 0,02 0,0 0,0 0,01 0,0 21 7,7 0,4 25,9 12,4 27,0 3,8 0,0 0,3 0,01 0,0 0,0 0,01 0,0 23 8,0 0,4 34,6 15,8 46,4 2,9 0,0 0,4 0,01 0,0 0,0 <0,01 0,0 26 8,7 0,4 33,3 13,9 23,5 3,3 0,0 0,3 0,01 0,1 0,0 0,01 0,0 28 7,0 0,4 33,5 8,7 29,8 2,3 0,0 0,4 0,02 0,0 0,0 0,01 0,0 30 9,0 0,3 34,7 15,3 30,5 2,2 0,0 0,3 0,01 0,0 0,0 0,01 0,0 33 11,3 0,2 31,8 13,1 18,6 4,2 0,0 0,2 0,01 0,0 0,0 0,01 0,0 35 14,0 0,2 28,9 9,3 17,8 3,0 0,0 0,2 0,01 0,0 0,1 0,01 0,0 37 10,0 0,2 35,6 11,3 15,7 2,9 0,0 0,3 0,01 0,0 0,0 0,01 0,0 42 10,3 0,1 41,7 11,9 11,7 2,3 0,0 0,4 0,01 0,1 0,0 0,01 0,0 44 10,3 0,2 39,6 14,2 11,2 2,1 0,0 0,4 0,01 0,0 0,1 <0,01 0,0 47 8,3 0,2 41,8 15,2 12,8 2,1 0,1 0,4 0,01 0,0 0,1 0,01 0,0 49 9,3 0,2 43,9 16,9 14,2 1,9 0,1 0,5 0,02 0,0 0,0 0,01 0,0 51 10,7 0,2 30,7 12,1 9,7 2,8 0,1 0,2 0,03 0,0 0,0 0,01 0,0 54 10,0 0,1 – – – – 0,0 0,3 0,01 0,0 – 0,01 0,0 61 7,7 0,0 – – – – 0,0 0,3 0,01 0,0 – <0,01 0,0 68 8,7 0,0 – – – – 0,0 0,1 0,02 0,0 – <0,01 0,0 75 7,7 0,0 – – – – 0,0 0,4 0,01 0,0 – <0,01 0,0 82 7,3 0,1 – – – – 0,0 0,2 0,01 0,0 – 0,01 0,0 89 11,0 0,1 – – – – 0,0 0,1 0,01 0,1 – 0,01 0,0 Cu 0,01 0,0 * (Empresa Pública Metropolitana de Agua Potable y Saneamiento, 2012, pp. 28,29) De la información presentada en la Tabla 3.16, y su evaluación bajo la normativa TULAS, se advierte que el cromo supera el límite máximo establecido, y en una proporción hasta tres veces mayor, durante los primeros 19 días de ensayo, de modo que los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola no podrían ser descargados a cuerpos de agua dulce. 97 Igualmente, pese a que el contenido de cromo en los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola empezó a disminuir luego de las tres primeras semanas de pruebas, muchos de los puntos presentan una concentración bastante cercana al límite, ratificándose el hecho de que la elusión de agua potable a través de suelo agrícola afectado con polvo de acería resultan en efluentes que no pueden entrar en contacto con cuerpos de agua dulce. En cuanto al hierro, cobre y níquel, se advierte que su concentración en los lixiviados generados por el polvo de acería (ya sea solo o asociado al suelo agrícola) es inferior respecto a la del agua alimentada al sistema. Esto sugiere que, debido a la presencia del polvo de acería, estos elementos manifiestan una tendencia a transferirse desde el agua hacia el suelo agrícola. En cambio, según los resultados recogidos en la Tabla 3.13, los elementos mencionados tienden a diluirse en el agua de percolación cuando el suelo se halla en su estado natural. Anteriormente se mencionó que la solubilidad del hierro en el suelo disminuye a medida que el pH aumenta. Entonces, dado que en la sección 3.4.1 se encontró que cuando el suelo está afectado con polvo de acería su pH crece a causa de la percolación, el hierro del agua potable pasará al suelo agrícola en menor cantidad a medida que pase el tiempo. Lo mismo respecto al cobre, pues su solubilidad en el suelo también decrece con el aumento del pH, mostrando un mínimo cuando es igual a 5. (Centre for Ecological Sciences, 2001, p. 3) Esto implica que en los lixiviados futuros se espera que la concentración de hierro y de cobre aumente. El níquel, por su parte, presenta tendencia a adsorberse por los sedimentos y partículas del suelo, tiene mayor movilidad en medio ácido y llega a los cuerpos de aguas subterráneas, lo cual podría explicar su tendencia a trasladarse desde el agua de percolación al suelo. Sin embargo, el hecho de que la concentración de níquel en el agua potable esté disminuyendo no representa algo positivo, pues la concentración inicial de este metal no supera los límites establecidos, por lo que no representa un problema. Más bien, se está desarrollando una acumulación de este elemento en el suelo agrícola, contaminándolo con un elemento que en exceso promueve el cáncer en animales e inhibe el crecimiento de muchas plantas y microorganismos. (Lenntech B.V, 2013, pp. 1,2) 98 En las figuras que se exponen a continuación se representa la concentración de los elementos indicados en función del tiempo para cada sistema. 1000 Suelo agrícola solo Concentración Ca (mg/L) Polvo de acería solo Suelo afectado con polvo de acería 100 10 1 0 10 20 30 40 50 60 Tiempo (días) Figura 3.6. Concentración de calcio (Ca) en los lixiviados obtenidos en cada unidad experimental en función del tiempo 10000 Suelo agrícola solo Concentración K (mg/L) Polvo de acería solo 1000 Suelo afectado con polvo de acería 100 10 1 0 10 20 30 40 50 60 Tiempo (días) Figura 3.7. Concentración de potasio (K) en los lixiviados obtenidos en cada unidad experimental en función del tiempo 99 Con base en las figuras anteriores, se advierte una variación considerable de la concentración de calcio y potasio en el sistema correspondiente al suelo agrícola afectado con polvo de acería, a diferencia de las demás unidades experimentales, donde éstos tienden a mantener su valor. Kass (1998) subraya que las pérdidas de calcio y potasio son normales, el primero en menor grado que el segundo, debido a la lixiviación por el agua de percolación, a la absorción en el complejo coloidal y/o a la precipitación de compuestos de estos elementos. (p. 137) Concentración Na (mg/L) 10000 Suelo agrícola solo Polvo de acería solo Suelo afectado con polvo de acería 1000 100 10 1 0 10 20 30 40 50 60 Tiempo (días) Figura 3.8. Concentración de sodio (Na) en los lixiviados obtenidos en cada unidad experimental en función del tiempo Se advierte que para el sodio el fenómeno es el mismo, es decir se presenta una variación considerable en la unidad experimental conformada por suelo agrícola con polvo de acería durante los primero 16 días. Posteriormente, éste tiende a estabilizarse, o por lo menos a variar en un rango de concentraciones más estrecho, lo que implica que las pérdidas de sodio debido a la elusión se atenúan con el tiempo en el suelo afectado con el desecho de los hornos de arco eléctrico. En la Figura 3.9 que se presenta a continuación se observa que, a diferencia de los tres elementos analizados previamente, la concentración de magnesio varía importantemente en la unidad experimental conformada por sólo suelo agrícola, mientras que su valor fluctúa entre 0 y 10 mg/L para los sistemas restantes. 100 100 Concentración Mg (mg/L) Suelo agrícola solo Polvo de acería solo Suelo afectado con polvo de acería 10 1 0,1 0 10 20 30 40 50 60 Tiempo (días) Figura 3.9. Concentración de magnesio (Mg) en los lixiviados obtenidos en cada unidad experimental en función del tiempo Concentración Fe (mg/L) 10 1 0,1 Suelo agrícola solo Polvo de acería solo Suelo afectado con polvo de acería 0,01 0 20 40 60 80 100 Tiempo (días) Figura 3.10. Concentración de hierro (Fe) en los lixiviados obtenidos en cada unidad experimental en función del tiempo En la Figura 3.10 se distingue que la concentración de hierro es variable en las unidades experimentales conformadas sólo por suelo agrícola y por únicamente por polvo de acería, mientras que en el sistema correspondiente a suelo contaminado con polvo de acería, la concentración de hierro tiende a mantenerse constante con el tiempo. 101 Como lo destaca Cepeda (1991), los cationes hierro favorecen la acidez del suelo, pues tienden a interactuar con los iones hidroxilo para formar compuestos insolubles (p. 117). Esto implicaría un aumento de la concentración de este metal en el agua de percolación. Efectivamente, los valores reportados para el pH demuestran una alcalinización del suelo cuando éste está afectado con polvo de acería, reduciendo la movilidad de la especie y limitando su transferencia desde el agua. 10 Suelo agrícola solo Concentración Cr (mg/L) Polvo de acería solo Suelo afectado con polvo de acería 1 0,1 0,01 0 20 40 60 Tiempo (días) 80 100 Figura 3.11. Concentración de cromo (Cr) en los lixiviados obtenidos en cada unidad experimental en función del tiempo Como se observa en la Figura 3.11, la concentración de cromo en las soluciones recogidas en el sistema compuesto por suelo agrícola y polvo de acería supera el valor de 0,1 mg/L, que corresponde, según Albert (1988), al límite máximo establecido por la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional de Estados Unidos para el agua de consumo humano. (p. 242) Por lo tanto, es evidente la contaminación del líquido lixiviado a causa del polvo de acería, y el riesgo de afectación de las aguas subterráneas. En cuanto a la concentración silicio, la cual se representa a continuación en la Figura 3.12, se percibe que ésta cambia con el tiempo sin presentar tendencia alguna, en un rango que va desde 2 a 32 mg/L. Además se observa que la línea correspondiente a la columna con solamente suelo agrícola tiende a superponerse a 102 la de la columna con únicamente al polvo de acería, lo cual indica un comportamiento similar de estos sólidos respecto a la disolución de silicio. 35 Suelo agrícola solo Concentración Si (mg/L) 30 Polvo de acería solo 25 Suelo afectado con polvo de acería 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Tiempo (días) Figura 3.12. Concentración de silicio (Si) en los lixiviados obtenidos en cada unidad experimental en función del tiempo Considerando el contenido de silicatos en el suelo agrícola (98 %) y en el polvo de acería (8 %), se hubiera esperado una mayor concentración de este elemento en los lixiviados recogidos; sin embargo, sólo los silicatos alcalinos son solubles en el agua, otros son factibles de ser atacados por ácidos, y los restantes, entre los que se encuentran los feldespatos y las micas, son inatacables incluso por los ácidos. (Burriel, Lucena, Arribas y Hernández, 1985, p. 857) De hecho, Cepeda (1991) indica que las percolaciones excesivas resultarán a lo mucho en el desplazamiento de los silicatos. (p. 14) De ahí que el agua de percolación recogida al final de las columnas no presente una concentración importante respecto a este elemento, ni siquiera en las unidades experimentales que contienen suelo agrícola. En lo que se refiere al zinc, cuyos datos se publican a continuación en la Figura 3.13, se advierte que su concentración tiende a ser menor a 0,4 mg/L, excepto para un punto perteneciente a la unidad experimental de sólo polvo de acería. Empero, los resultados demuestran que los elementos considerados no se disuelven a una tasa constante, de modo que un pico de concentración es posible. Además, ni siquiera dicho máximo supera el límite establecido por la normativa TULAS pa- 103 ra la descarga a cuerpos de agua, por lo cual el zinc no representa un problema en los efluentes líquidos obtenidos en el presente proyecto. 10 Concentración Zn (mg/L) Suelo agrícola solo Polvo de acería solo 1 Suelo afectado con polvo de acería 0,1 0,01 0,001 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Tiempo (días) Figura 3.13. Concentración de zinc (Zn) en los lixiviados obtenidos en cada unidad experimental en función del tiempo Consecuentemente, los resultados presentando en esta sección demuestran que la irrigación de agua a las unidades experimentales permitió la elusión de los metales silicio, aluminio, sodio, potasio, calcio, magnesio, cromo, zinc, arsénico y plomo en el agua de percolación, y de hierro, cobre y níquel en el sistema conformado únicamente por suelo agrícola. De los elementos señalados, el cromo y el arsénico son los que alcanzar concentraciones que superan los límites establecidos en el TULAS (Libro VI, Anexo 1) para la descarga de efluentes a cuerpos de agua dulce. Sin embargo, las concentraciones altas de cromo sólo se presentaron en la unidad experimental con suelo y polvo de acería, lo cual demuestra que en realidad existe un problema grave debido a la contaminación de este recurso con el residuo de acería. En cuanto a la tendencia que presentaron los datos en las figuras anteriores, la falta de uniformidad podría ser consecuencia del error asociado al método empleado para el análisis de los lixiviados. Las muestras de agua deben ser analiza- 104 das por espectroscopía de absorción atómica apenas se recogen, a fin de impedir que procesos como la precipitación química cambien su composición, de modo que la disposición del equipo de absorción atómica determinó fuertemente la calidad de los resultados obtenidos. Sin embargo, la sensibilidad de la técnica fue suficiente como para estimar una tendencia global en el tiempo de la concentración de los metales de interés en los efluentes de cada columna. 3.2.3.3 Tasa de disolución de los elementos químicos removidos en los lixiviados Los resultados obtenidos experimentalmente para la tasa de disolución de los metales silicio, aluminio, sodio, potasio, calcio, magnesio, hierro, cromo, cobre, zinc, arsénico, mercurio, níquel, plata y plomo en las distintas unidades experimentales se exponen a continuación, en la Tabla 3.17. Tabla 3.17. Tasa de disolución promedio de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, As, Hg, Ni, Ag y Pb en los lixiviados de cada unidad experimental Unidad experimental Tasa de disolución (μg/día) Suelo agrícola solo Suelo afectado con polvo de acería Polvo de acería solo Si 22,207 5,478 19,510 Al 2,437 0,477 0,583 Na 166,667 244,910 18,994 K 257,482 324,100 9,789 Ca 20,580 73,834 3,357 Mg 7,232 4,682 2,988 Fe 3,371 -1,039 0,129 Cr 0,035 0,923 0,033 Cu 0,109 -0,007 0,036 Zn 0,177 0,050 0,226 As 0,070 0,088 0,102 Hg -0,002 -0,002 -0,002 Ni 0,028 0,006 0,010 Ag 0,015 0,010 0,000 Pb 0,244 0,203 0,168 105 En la Tabla 3.17 se advierte que la tasa de disolución de los metales silicio, aluminio, zinc, níquel, plata y plomo es menor en los sistemas de suelo agrícola afectado con polvo de acería respecto a los sistemas con únicamente suelo agrícola y polvo de acería. En todos los casos, la tasa de disolución de los elementos químicos es menor en la unidad experimental con sólo polvo de acería respecto a la columna con solamente suelo agrícola, excepto para el caso del zinc, cuya tasa de disolución es mayor en la columna con polvo de acería. Esto se debe básicamente a la importante concentración de zinc en la muestra de polvo de acería, el cual no tiene la posibilidad de fijarse en el suelo agrícola así como la tiene el elemento en las unidades experimentales de suelo afectado con polvo. La tasa de disolución de los metales cobre y hierro es negativa en las unidades experimentales de suelo agrícola afectado con polvo de acería, y positiva en las conformadas con sólo suelo y polvo. Esto implica que el agua potable alimentada al suelo afectado deposita hierro y cobre en el sistema, en lugar de enriquecerse con estos elementos. Esto posiblemente se deba a la mala aireación del suelo a consecuencia de la capa de polvo de acería, la cual aumenta la solubilidad de muchos minerales según Narro (1994, p. 131). Cepeda (1991) resalta también la escasa solubilidad del hierro en medios muy alcalinos (p. 145), de modo que el alto pH del polvo de acería pudo influir en el agua de percolación, y por tanto en la disolución de este metal en el líquido lixiviado. La tasa de disolución del mercurio es negativa en todos los casos, lo que implica que el agua potable entrega a todos los sistemas especies de este metal. Sin embargo, la razón con la que crece la concentración del metal mercurio en los agregados sólidos es bastante pequeña, la menor de todas las registradas, por lo que la preocupación del alcance de las concentraciones anómalas no tiene cabida. En la Figura 3.14 se presenta a continuación la tasa de disolución de los metales silicio, aluminio, sodio, potasio, calcio, magnesio, hierro, cromo, cobre, zinc, arsénico, mercurio, níquel, plata y plomo en función de la unidad experimental, mientras que en las tres figuras subsiguientes se divide esta representación a fin de facilitar la comparación de las razones de disolución entre sistemas. 106 350 300 20 250 15 200 10 150 5 100 0 Tasa de disolución (µg/día) Tasa de disolución (µg/día) 25 50 -5 0 Suelo agrícola solo Suelo agrícola afectado con polvo de acería Polvo de acería sólo Unidad experimental Si Al Mg Fe Cr Cu Zn Hg Ni Ag Pb Na K Ca As Figura 3.14. Tasa de disolución de los elementos Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, As, Ba, Hg, Ni, Ag y Pb en los lixiviados de cada unidad experimental 0,12 Suelo agrícola solo Tasa de disolución (µg/día) 0,1 Suelo agrícola afectado con polvo de acería 0,08 Polvo de acería sólo 0,06 0,04 0,02 0 -0,02 Cu As Hg Ni Ag Unidad experimental Figura 3.15. Tasa de disolución de los elementos Cu, As, Hg, Ni y Ag en los lixiviados de cada unidad experimental 107 4 3,5 Suelo agrícola solo Tasa de disolución (µg/día) 3 Suelo agrícola afectado con polvo de acería 2,5 Polvo de acería sólo 2 1,5 1 0,5 0 -0,5 -1 -1,5 Al Fe Cr Zn Pb Unidad experimental Figura 3.16. Tasa de disolución de los elementos Al, Fe, Cr, Zn y Pb en los lixiviados de cada unidad experimental 350 Suelo agrícola solo Tasa de disolución (µg/día) 300 Suelo agrícola afectado con polvo de acería 250 Polvo de acería sólo 200 150 100 50 0 Si Na K Ca Mg Unidad experimental Figura 3.17. Tasa de disolución de los elementos Si, Na, K, Ca y Mg en los lixiviados de cada unidad experimental 108 Como se menciona en el punto 1.2.1 de la introducción, una percolación excesiva da lugar a lixiviaciones abundantes de metales alcalinos y alcalinotérreos, como sodio, potasio, calcio y magnesio (Cepeda, 1991, p. 14), lo cual está de acuerdo con los resultados obtenidos y presentados en la figura anterior. Este fenómeno puede ser atribuido a reacciones de hidrólisis entre los minerales del suelo y el agua alimentada al sistema. Entonces, dado que los elementos separados no pueden ser usados por las plantas, se desalojan en el agua de drenaje. Asimismo, como lo demostró la caracterización mineralógica del suelo agrícola analizado, la parte activa inorgánica de este sistema está conformada básicamente por la arcilla caolinita, cuya capacidad de fijación de calcio, magnesio, potasio y sodio es baja según la literatura (Cepeda, 1991, pp. 40,41). Esto explica la relativamente alta razón de lixiviación de estos elementos. Complementariamente, a partir de las figuras anteriores se infiere lo siguiente: a. Tal como se menciona en el punto 1.2.1.3 de la introducción, la tasa de disolución de los metales sodio, potasio, calcio y magnesio es alta, comprobándose que éstos son rápidamente solubilizados por el agua; mientras que la tasa de disolución del aluminio y hierro es baja, correspondiéndoles una disolución lenta. (Cepeda, 1991, pp. 30-32) b. La tasa de disolución más alta le corresponde al potasio, seguido del sodio. Thompson y Troeh (1988) indican que el potasio es un elemento difícil de lavar cuando éste se ha liberado en la solución del suelo, mientras que con el sodio no se desarrolla una fijación de ninguna clase y es retenido en los puntos de intercambio catiónico con menor intensidad que el potasio, por lo cual se lava con mayor facilidad. (p. 367) c. El análisis de la composición del suelo agrícola antes y después de los ensayos en columna reveló que procesos de hidrólisis causaron que la concentración en el suelo de potasio, calcio y magnesio disminuyera luego de los ensayos en columna, y que se especulara que éstos se disolvieron en el agua de percolación pese a que cabía la posibilidad de absorción de estas especies 109 en el suelo coloidal. Esta suposición está respaldada por los datos experimentales, pues la tasa de disolución de estos elementos jamás fue negativa, a diferencia del mercurio y el hierro. d. El análisis mineralógico del suelo agrícola reveló la presencia de arcillas (caolinita), que corresponden a las partículas coloidales de la fracción inorgánica. Entonces, como lo menciona la literatura, la secuencia de absorción preferente en los sitios de intercambio es la siguiente: aluminio, calcio, magnesio, potasio, y sodio (Cepeda, 1991, p. 82). Esto implica que la tasa de disolución de dichos cationes en los lixiviados debe ordenarse de manera inversa (sodioǡ potasioǡ magnesio, calcio, aluminio). Sin embargo, experimentalmente se obtuvo el siguiente orden decreciente respecto a la tasa de disolución: potasio, sodio, calcio, magnesio, aluminio, que si bien no es exactamente el orden que sugiere Cepeda (1991, p. 82), sí se advierte una ordenación respecto a la carga de los cationes, corroborándose que, como lo indica, la aproximación de un catión a las partículas coloidales es mayor mientras mayor es la carga de la especie a adsorberse. e. En la sección 3.1.2.1 se mencionó que, con base en lo propuesto por Thompson y Troeh (1988), la elusión del potasio es bastante lenta, mientras que el sodio se elimina con mayor facilidad. (p. 367) Sin embargo, si se examinan los datos de la Tabla 3.17, se advierte que la tasa de disolución del potasio es mayor que la del sodio en la unidad experimental 1, donde se tiene únicamente suelo agrícola. En cambio, en las unidades experimentales 2 y 4, con suelo agrícola y polvo de acería, y 5, con exclusivamente polvo de acería, la tasa de disolución del sodio efectivamente es mayor que la del potasio. De hecho, para la unidad experimental 1, la mayor tasa de disolución la ostenta el potasio. f. El análisis mineralógico del suelo agrícola ensayado reveló la presencia de caolinita, la cual, según Thompson y Troeh (1988), no permite la fijación del potasio en su red, además de que esta arcilla no ofrece muchos puntos de almacenamiento para los cationes, entre éstos el potasio. (p. 367) Así, al estar la parte activa del suelo agrícola conformada por caolinita, el potasio no se retuvo con mucha intensidad y se eliminó en el agua de percolación. 110 g. El hierro presenta una tasa de disolución negativa en la unidad experimental conformada por suelo agrícola y polvo de acería, lo que implica una transferencia de esta especie desde el agua alimentada al sistema hacia el suelo. h. La tasa de disolución del cromo, cobre, zinc, arsénico, mercurio, níquel, plata y plomo es menor respecto a los elementos analizados anteriormente, lo que se debe a la limitada movilidad de los metales en medios básicos. i. Conforme a lo discutido en el punto 3.2.2, la tasa de disolución del plomo es relativamente baja, y de hecho está entre las más bajas de los metales analizados. Esto se debe al pH de los lixiviados, cuyo valor es menor a 10 según lo expuesto en la Tabla 3.11, mientras que este elemento es soluble en rangos de pH entre 12 y 13. Por lo tanto, en el suelo se ha desarrollado y se desarrollará una constante disminución del pH, debido al lavado de las bases por parte del agua de percolación. Sin embargo, es importante tener en consideración que por lo general el agua lluvia tiende a ser más ácida que el agua potable, líquido que se empleó en el presente proyecto de titulación, de modo que las tasas de elusión de los elementos considerados realmente son más altas que aquellas obtenidas en este trabajo. 3.3 EVALUACIÓN DE LOS CAMBIOS MORFOLÓGICOS QUE SE PRODUCEN EN POLVO DE ACERÍA DEBIDO A LOS PROCESO EN COLUMNA Tal como se indica en el capítulo 2.4, titulado “Evaluación de los cambios fisicoquímicos que se producen en suelo afectado por la adición de una capa de 15 cm de polvo de acería”, se procedió con el análisis de las muestras de polvo de acería antes y después de los ensayos en columna por microscopía óptica. Sin embargo, debido al tamaño de grano de las muestras, no se observaron diferencias significativas, por lo cual no se consideró relevante presentar las micrografías obtenidas en el microscopio petrográfico Leica. 111 A continuación se presenta, en la Tabla 3.18, la caracterización morfológica del polvo de acería antes y después del desarrollo de los ensayos en columna por microscopía electrónica de barrido. Tabla 3.18. Micrografías del polvo acería inicial y final por microscopía electrónica de barrido con microanalizador de rayos X Número de aumentos Polvo de acería inicial Polvo de acería final Suelo afectado con polvo de acería Polvo de acería solo 500 X 2 000 X Como se puede notar, el polvo de acería resultante de los procesos en columna presenta una mayor capacidad de aglomeración y compactación respecto a la muestra inicial, la cual se conforma de partículas realmente finas independientes unas de otras. Asimismo, si se comparan las imágenes correspondientes a los polvos de acería finales, se advierte que aquel que estuvo en contacto con el suelo agrícola muestra una capacidad superior de aglomeración y compactación respecto al desecho solo, pese a que las muestras fueron preparadas de exactamente la misma manera. En la Figura 3.18 se expone a continuación la micrografía del polvo de acería inicial por microscopía electrónica de barrido a 5 000 aumentos. En ésta se advierte, 112 además de la baja capacidad de aglomeración de las partículas en el desecho, que éstas son sumamente pequeñas, la mayoría menores a 1 µm en la porción de sólido analizada. Esto explica la limitada identificación de características propias de las muestras analizadas en el microscopio petrográfico, cuya capacidad es apenas 500 aumentos. 10 Figura 3.18. Micrografía del polvo acería inicial por microscopía electrónica de barrido con microanalizador de rayos X (5 000 X, 10 µm) Tabla 3.19. Composición elemental inicial y final del polvo acería por microscopía electrónica de barrido con microanalizador de rayos X Contenido (%) Elemento Polvo de acería inicial Polvo de acería final Suelo afectado con polvo de acería Polvo de acería solo Si 1,9 4,1 3,3 O 27,5 45,2 33,5 Fe 40,6 13,1 31,1 Zn 25,2 30,1 25,4 Mg 1,2 3,3 2,8 Mn 1,5 1,4 1,9 Ca 1,0 1,2 1,3 Al 1,1 1,6 0,7 Como se observa en la Tabla 3.19, el metal predominante en la muestra de polvo de acería inicial es el hierro, a diferencia de la muestra resultante del proceso en columna en la unidad con suelo agrícola y polvo de acería, cuya mayor concentración le corresponde al zinc. En la unidad conformada por exclusivamente polvo 113 de acería, el material resultante de la percolación también presenta una predominancia de hierro, pero en menor variación respecto al elemento que le sigue (zinc). Esto implica que efectivamente se desarrolló una lixiviación del hierro a consecuencia del paso del agua de percolación, y que la interacción del polvo con el suelo promovió la elusión de este elemento en el residuo de acería. Si se contrasta la composición del polvo de acería inicial con la correspondiente al polvo del sistema suelo agrícola - polvo de acería, se advierte que el contenido de zinc, magnesio, calcio y aluminio aumenta. Esto no implica que la cantidad de estos elementos incremente en el sólido peligroso, sino que el paso del agua de percolación da lugar a una concentración de dichos metales en el desecho. Respecto al sistema conformado por sólo polvo de acería, el contenido de magnesio, manganeso y calcio es mayor respecto al polvo inicial, lo cual también supone una concentración de estos elementos en el residuo de acería a consecuencia del paso del agua de percolación. 3.4 ESTABILIZACIÓN POR ENCAPSULACIÓN DE LOS LIXIVIADOS GENERADOS POR EL POLVO DE ACERÍA Y PERCOLADOS A TRAVÉS DEL SUELO AGRÍCOLA A continuación se expone la caracterización de los sólidos estabilizados y su análisis, a fin de escoger la mejor formulación para la encapsulación de los efluentes. 3.4.1 PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DEL SÓLIDO ESTABILIZADO En la Tabla 3.20 se exhiben en seguida las propiedades de los sólidos obtenidos como resultado de la aplicación del método descrito en el punto 2.5.1. Éstas se refieren a la densidad, humedad, pH, conductividad y resistencia a la compresión de los sólidos estabilizados para las distintas relaciones líquido/sólido (L/S). Además se incluyen los límites establecidos para las propiedades indicadas según los criterios de ordenamiento y elegibilidad de los residuos a ser confinados. 114 Tabla 3.20. Propiedades físicas y químicas del lixiviado resultante del proceso en columna estabilizado con cemento y cal Propiedad Unidad L/S = 0,4 L/S = 0,5 L/S = 0,6 Límite* Densidad g/mL 0,6 0,6 0,6 – Humedad % 5,4 8,2 11,3 <10 pH – 7,7 7,7 8,5 4 - 13 μS/cm 307 294 288 <100 000 kPa 964,9 771,6 584,4 >50 Conductividad Resistencia a la compresión * (Ruiz, 2003, p. 16) Como se observa en la Tabla 3.20, el sólido estabilizado con una relación L/S no cumple con el límite establecido para la humedad, aunque no se advierte ningún problema respecto a los otros parámetros. En cambio, las propiedades de los sólidos obtenidos con las relaciones L/S igual a 0,4 y a 0,5 satisfacen los límites fijados para todas las propiedades, de modo que en este contexto cumplirían los requerimientos para ser depositados en celdas de confinamiento. Por otro lado, los resultados de la sección anterior revelaron que los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola presentan una concentración de cromo que supera el límite establecido por el TULAS, lo cual los convierte en efluentes prohibidos de descargarse en cuerpos de agua dulce. Sin embargo, el pH de estos líquido disminuye con el tiempo, y con él la movilidad de muchos metales pesados aumenta, siendo muy probable una mayor concentración de éstos en el agua de percolación futura. Además, el pH del agua de lluvia tiende a ser menor al del agua potable, de modo que en condiciones reales los lixiviados generados por el polvo de acería son más ácidos. Consecuentemente, a fin de determinar si el método de estabilización permite el tratamiento del desecho aún en las peores condiciones, se procedió con la estabilización del extracto lixiviado resultante del análisis toxicológico TCLP sobre el polvo de acería. Las propiedades de los sólidos resultantes de esta estabilización se presentan en seguida, en la Tabla 3.21, en la que además se incluyen los criterios de ordenamiento y elegibilidad de los residuos a ser depositados en celdas de confinamiento. 115 Tabla 3.21. Propiedades físicas y químicas del extracto lixiviado resultante del análisis toxicológico TCLP sobre el polvo de acería estabilizado con cemento y cal Propiedad Unidad L/S = 0,4 L/S = 0,5 L/S = 0,6 Límite* Densidad g/mL 0,6 0,5 0,6 – Humedad % 6,1 8,5 11,5 <10 pH – 9,1 8,1 8,4 4 - 13 μS/cm 358 348 335 <100 000 kPa 861,8 848,5 526,3 >50 Conductividad Resistencia a la compresión * (Ruiz, 2003, p. 16) En la Tabla 3.21 se advierte que nuevamente una relación L/S igual a 0,6 resulta en un sólido que no cumple con la humedad especificada por la literatura (Ruiz, 2003, p. 16), mientras que relaciones iguales a 0,4 y 0,5 dan lugar a sólidos que obedecen a los requerimientos establecidos para ser confinados. 3.4.2 CARACTERIZACIÓN TOXICOLÓGICA DEL SÓLIDO ESTABILIZADO A continuación se exponen los resultados registrados para la caracterización toxicológica de los sólidos estabilizados, obtenidos con la aplicación del procedimiento indicado en el punto 2.5.3.2 sobre los distintos productos de residuo encapsulado. Además se incluyen los límites de toxicidad de metales lixiviados mediante la metodología EPA 1311, a fin de determinar si éstos se consideran tóxicos. Tabla 3.22. Caracterización toxicológica del lixiviado resultante del proceso en columna estabilizado con cemento y cal conforme al método EPA 1311 Concentración del extracto lixiviado (mg/L) Límite máximo permisible (mg/L)* L/S = 0,4 L/S = 0,5 L/S = 0,6 5,0 0,0 0,1 0,0 100,0 <0,1 <0,1 <0,1 Cadmio 1,0 <0,01 <0,01 <0,01 Cromo 5,0 0,0 0,4 0,5 Hierro 30,0 8,3 1,5 7,8 Parámetro Arsénico Bario * (Environmental Protection Agency, 2003, pp. 25-28) 116 Tabla 3.22. Caracterización toxicológica del lixiviado resultante del proceso en columna estabilizado con cemento y cal conforme al método EPA 1311 (continuación …) Concentración del extracto lixiviado (mg/L) Límite máximo permisible (mg/L)* L/S = 0,4 L/S = 0,5 L/S = 0,6 Mercurio 0,2 <0,0001 <0,0001 <0,0001 Níquel 2,0 <0,01 <0,01 <0,01 Plata 5,0 <0,01 <0,01 <0,01 Plomo 5,0 <0,10 <0,10 <0,10 Selenio 1,0 0,0 0,1 0,0 Vanadio – <0,1 <0,1 <0,1 Zinc – <0,01 <0,01 <0,01 Parámetro * (Environmental Protection Agency, 2003, pp. 25-28) Con base en la metodología EPA 1311 y la información tabulada en la Tabla 3.22, se infiere que los sólidos obtenidos a partir de la estabilización de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través de suelo agrícola no pueden ser considerados tóxicos, ya que su concentración en todos los casos es menor a la máxima permisible. Se advierte una mayor concentración de cromo en el sólido correspondiente a la relación L/S igual a 0,6, de arsénico y selenio cuando la relación L/S es igual a 0,5, y de hierro para una relación L/S de 0,4; mientras que concentraciones mínimas se registran para el arsénico y el selenio cuando L/S es igual a 0,6, para el hierro cuando L/S presenta un valor de 0,5 y para el cromo cuando L/S es 0,4. Respecto a los elementos bario, cadmio, mercurio, níquel, plomo y vanadio, su concentración en el extracto lixiviado es mucho menor a la normada. Lo anterior implica que la estabilización por solidificación de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola es un proceso exitoso para la fijación de los elementos químicos considerados por la normativa EPA 1311, lo cual era un resultado que se esperaba debido a la naturaleza de dichos lixiviados. Así, se dispone de una opción simple y relativamente barata para la disposición final de estos efluentes, sin la generación de residuos paralelos. 117 Tabla 3.23. Caracterización toxicológica del extracto lixiviado resultante del análisis toxicológico TCLP sobre el polvo de acería estabilizado con cemento y cal conforme al método EPA 1311 Concentración del extracto lixiviado (mg/L) Límite máximo permisible (mg/L)* L/S = 0,4 L/S = 0,5 L/S = 0,6 5,0 0,4 0,4 0,6 100,0 0,2 0,1 0,1 Cadmio 1,0 0,9 0,9 0,9 Cromo 5,0 0,0 0,0 0,0 Hierro 30,0 0,0 0,0 0,1 Mercurio 0,2 <0,0001 <0,0001 <0,0001 Níquel 2,0 0,0 0,1 0,2 Plata 5,0 0,0 0,0 0,0 Plomo 5,0 3,8 4,1 4,5 Selenio 1,0 0,1 0,1 0,0 Vanadio – 0,3 0,2 0,3 Zinc – 3218,2 7222,5 4955,4 Parámetro Arsénico Bario * (Environmental Protection Agency, 2003, pp. 25-28) Del mismo modo que en el caso anterior, ninguno de los sólidos obtenidos con la estabilización del extracto lixiviado resultante del análisis toxicológico TCLP sobre el polvo de acería estabilizado con cemento y cal puede ser considerado tóxico. No obstante, las concentraciones de cadmio y plomo de dichos sólidos se acercan considerablemente a los límites máximos permisibles, especialmente en el caso del cadmio para del bloque correspondiente a la relación L/S igual a 0,5, y del plomo para una relación L/S de 0,6. Por lo tanto, en este contexto la relación L/S de 0,4 resulta la mejor. Respecto a los elementos bario, cromo, hierro, mercurio, níquel, plata y selenio, su concentración en el extracto lixiviado es mucho menor a la normada. Por lo tanto, la estabilización por solidificación de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola es un proceso exitoso para la fijación de los elementos químicos considerados por la normativa EPA 1311, aún en las peores condiciones. 118 3.5 DETALLE DEL SISTEMA PROPUESTO PARA EL TRATAMIENTO DE LOS LIXIVIADOS GENERADOS POR EL POLVO DE ACERÍA Y PERCOLADOS A TRAVÉS DEL SUELO 3.5.1 DEFINICIÓN DE LAS MATERIAS PRIMAS Con base en los datos presentados y discutidos en la sección anterior, la mejor formulación para la estabilización por encapsulación de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola corresponde a una relación líquido/sólido igual a 0,4. Como lo demuestran los resultados del punto 3.4, los lixiviados estabilizados de esta manera se transforman en un sólido que cumple con todos los requisitos para ser depositado en celdas de confinamiento. Considerando el caudal promedio de descarga de los lixiviados obtenidos en los sistemas conformados por suelo afectado con polvo de acería (unidades experimentales 2, 3 y 4), igual a 0,09 mL/h según lo indicado en la Tabla 3.10, y la tasa de producción del polvo de acería en la empresa de reciclaje de chatarra, igual a 9 000 kg/día de acuerdo a Álvarez (2010, p. 5), se llega a que las materias primas necesarias para el tratamiento son: Tabla 3.24. Especificación de las materias primas necesarias para la estabilización de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola Materia prima Unidad Cantidad Lixiviado m³/mes 2 Cemento t/mes 4 Cal t/mes 1 3.5.2 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO PROPUESTO Debido a la disposición no controlada de polvo de acería sobre el suelo de la zona agrícola aledaña, las precipitaciones pluviales producen una lixiviación de los metales pesados, imposibilitando que el agua de percolación entre en contacto con cuerpos de agua dulce debido a su alto contenido de cromo. Ensayos a nivel labo- 119 ratorio demostraron que la estabilización de estos lixiviados con cemento y cal en una proporción igual a 0,4, en cuanto al volumen de líquido respecto a la masa de sólido, resulta en sólidos que cumplen con todos los requerimientos (físicos, químicos y toxicológicos) para ser depositados en celdas de confinamiento. El proceso que se propone inicia con la recolección de 0,09 mL/h de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola, los cuales se almacenarán en un tanque de 2,1 m³ (550 gal), cuyas especificaciones se exponen más adelante en la Tabla 3.28. Posteriormente, el primer día de cada mes, se mezclarán los 2 m³ del líquido recogido con 4 t de cemento Portland y 1 t de cal en una máquina mezcladora de cemento de 14 m³/h de capacidad, cuyo catálogo se presenta en el Anexo X (sección 1, página 234). Una vez que los materiales han sido adecuadamente mezclados, durante por lo menos 4 min según lo recomienda la literatura, la pulpa se conducirá hacia una máquina de vibro - compactación, de cuyo catálogo se dispone en el Anexo X (punto 2, página 235) y que está equipada con moldes de los bloques y una prensa. Con el objeto de facilitar esta conducción gracias a la acción de la gravedad, la máquina de vibro - compactación se ubicará 1 m por debajo de la compuerta de descarga de la máquina mezcladora. Entonces, a consecuencia de la vibración de la máquina, los moldes van llenándose con la mezcla durante 30 s. (Nicolalde, 2008, pp. 24-27; Peñúñuri, Gómez y Sánchez, 2009, pp. 9-12) Transcurridos los 30 s de llenado de los moldes, el barredor automático retirará el exceso de material sobre los mismos y la prensa compactará la mezcla. Entonces los bloques de sólido estabilizado caerán sobre un tablero situado debajo de la máquina de vibro - compactación. Dicho tablero será lubricado con diésel antes de recibir a los sólidos. (Nicolalde, 2008, p. 25) A continuación los bloques se llevarán al cuarto de curado, donde se los secará a la temperatura ambiente por 3 días. Durante su almacenamiento, serán mojados cada 3 días y durante 3 días, simulándose una lluvia ligera con aspersores, y se los dejará secar nuevamente a la temperatura ambiente por 3 días, a fin de que se desarrolle un curado de los mismos y que por tanto no se afecte su resistencia. 120 Finalmente, obtenidos los bloques de sólido estabilizado, se los transportará al final de cada mes a un relleno sanitario para su confinamiento. En la Tabla 3.25 se presentan a continuación los requerimientos del proceso de mezclado de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola con el cemento y la cal y de curado de la mezcla. Tabla 3.25. Requerimientos del proceso de mezcla de los lixiviados con cemento y cal y curado de la mezcla Parámetro Unidad Valor Tiempo de bombeo del lixiviado desde el tanque T - 101 hacia la mezcladora min 100 Tiempo de mezclado min 4 s 30 Tiempo de secado de los bloques al ambiente días 3 Intervalo entre curado de los bloques días 3 Tiempo de vibro - compactación Se advierte en la tabla anterior que los requerimientos del proceso de mezclado, operación central en el tratamiento de este tipo de desechos, son bastante simples y fácilmente cumplibles, lo que influye en el relativamente bajo costo del diseño que se propone en el presente proyecto de titulación. 3.5.3 DIAGRAMA DE BLOQUES Y DE FLUJO DEL SISTEMA PROPUESTO PARA EL TRATAMIENTO DE LOS LIXIVIADOS GENERADOS POR EL POLVO DE ACERÍA Y PERCOLADOS A TRAVÉS DEL SUELO En la Figura 3.19 se presenta a continuación el diagrama de bloques del sistema propuesto para el tratamiento de los lixiviados generados por el polvo de acería, mientras que en la Figura 3.20 se muestra en diagrama de flujo de este proceso. En síntesis, el proceso consiste en: 1) almacenamiento del lixiviado, 2) mezcla del lixiviado con cemento y cal, 3) moldeo y compactación de la mezcla, 4) curado de los bloques obtenidos, y 5) transporte de los bloques al relleno sanitario. 121 Lixiviado 2,67 L/h Almacenamiento (20 ºC, 0,72 atm) Lixiviado 2 m³/mes Cemento 4 t/mes Mezclado y agitación (20 ºC, 400 rpm) Cal 1 t/mes Mezcla 7 t Total Moldeo y compactación 200 mL agua Bloque fresco Secado (20 ºC, 3 d) Bloque curado Bloque seco Curado (0,12 m³/h de agua) Sólido estabilizado Transporte al relleno sanitario Sólido estabilizado Disposición en celdas de confinamiento Figura 3.19. Diagrama de bloques del sistema propuesto para el tratamiento de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través de suelo agrícola T - 102 T - 103 3 4 2 1 2 M - 101 P - 101 5 T - 101 E - 101 5 6 7 Curado M - 102 A - 101 Figura 3.20. Diagrama de flujo del sistema propuesto para el tratamiento de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través de suelo agrícola 122 Tabla 3.26. Nomenclatura de los equipos considerados en el diagrama de flujo del sistema propuesto para el tratamiento y su capacidad Nomenclatura Equipo Capacidad Unidad T - 101 Tanque de almacenamiento del lixiviado 2,1 m³ P - 101 Bomba centrífuga 1,2 m³/h T - 102 Silo de almacenamiento de cemento 7,6 m³ T - 103 Silo de almacenamiento de cal 1,6 m³ M - 101 Máquina mezcladora 7 t E - 101 Tecle 500 kg M - 102 Máquina de vibro - compactación 500 kg A - 101 Aspersor 0,12 m³/h Tabla 3.27. Características de las corrientes indicadas en el diagrama de flujo del sistema propuesto para el tratamiento Corriente No. Descripción Flujo Unidad Temperatura Presión 1 Lixiviado 2,76 L/h 20 ºC 0,72 atm 2 Lixiviado 2 m³/mes 20 ºC 0,72 atm 3 Cemento 4 t 20 ºC 0,72 atm 4 Cal 1 t 20 ºC 0,72 atm 5 Mezcla Lixiviado - Cemento - Cal 7 t 20 ºC 0,72 atm 6 Bloques de sólido estabilizado crudo 7 t 20 ºC 0,72 atm 7 Bloques de sólido estabilizado curados 7 t 20 ºC 0,72 atm 3.5.4 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPAMIENTO NECESARIO PARA EL TRATAMIENTO DE LOS LIXIVIADOS GENERADOS POR EL POLVO DE ACERÍA Y PERCOLADOS A TRAVÉS DEL SUELO AGRÍCOLA Con base en el diagrama de flujo presentado en la sección anterior, los equipos necesarios para la estabilización por encapsulación de los lixiviados son: a. Silos para el almacenamiento del líquido lixiviado, el cemento y la cal, y un cuarto de curado donde se alojarán los bloques producidos. b. Una bomba centrífuga para el transporte del efluente a estabilizarse desde su lugar de almacenamiento hasta la máquina mezcladora. 123 c. Un tecle para la transferencia y descarga de la mezcla en los moldes de la máquina de vibro - compactación. d. Una máquina mezcladora con motor eléctrico, una bomba de agua, un tambor circular de 5,5 m³ de capacidad (2 m³ de lixiviado, 2,7 m³ de cemento y 0,8 m³ de cal), y una hélice con pala fija en cada uno de sus cuatro extremos. e. Una máquina de vibro - compactación para la el fraguado de la mezcla en forma de bloques, con una base removible en la parte inferior, la cual se cubrirá frecuentemente con aceite lubricante. A fin de facilitar la conducción del material hacia los moldes de la máquina de vibro - compactación, se va a establecer 1 m de desnivel entre la base de la compuerta de descarga de la máquina mezcladora y la parte superior de la máquina de vibro - compactación, con base en lo recomendado por bibliografía (Nicolalde, 2008, p. 24). Asimismo, la máquina de vibro - compactación estará equipada con una barredora, para el retiro del exceso de material en los moldes de la máquina de vibro - compactación, y una prensa, para la compactación del material. f. Un aspersor, para el curado de los bloques de sólido estabilizado hasta su transporte al relleno sanitario. En cuanto a la recolección de los lixiviados, se pueden construir drenes de recolección como el que se presenta en la Figura 3.21. Membrana plástica Grava Tubería PVC Bentonita Figura 3.21. Sistema de recolección de lixiviados (Sánchez, González, Morales, Pineda y Semadeni, 2003, p. 176) De acuerdo a lo recomendado por la literatura, los drenes de recolección consistirán en tuberías de polietileno de alta densidad ranuradas hasta la mitad de su diámetro. La parte ciega de la tubería se ubicará hacia abajo, y se cubrirá con 124 bentonita, mientras que la parte superior agujereada se empacará con grava. El piso de la instalación se revestirá con geomembranas de polietileno de alta densidad de 2,5 mm de espesor y tendrá una pendiente de 1 %. (Sánchez, González, Morales, Pineda y Semadeni, 2003, pp. 175,176; Ruiz, 2003, p. 8) 3.5.5 DIMENSIONAMIENTO DEL EQUIPAMIENTO NECESARIO PARA EL TRATAMIENTO DE LOS LIXIVIADOS GENERADOS POR EL POLVO DE ACERÍA Y PERCOLADOS A TRAVÉS DEL SUELO AGRÍCOLA Los cálculos desarrollaron para el dimensionamiento de los equipos que se exponen a continuación se pormenorizan en el Anexo VIII (p. 222). Seguidamente se muestran, en la Tabla 3.28, las especificaciones del tanque de almacenamiento de los lixiviados, mientras que en la Tabla 3.29 se publican las condiciones de operación de dicho equipo. Tabla 3.28. Especificaciones del tanque de almacenamiento de los lixiviados Parámetro Unidad Valor Material – Acero inoxidable Volumen m³ 2,1 Altura m 2,1 Diámetro interno m 1,5 mm 2,5 Altura cm 24,0 Espesor mm 3,0 – Agitador hélice de 3 palas Velocidad rpm 400 Ancho de las palas cm 50,0 Altura de la pala cm 12,5 Potencia del motor kW 3,5 Tanque Espesor Tapa Sistema de agitación Tipo de agitador 125 Tabla 3.29. Condiciones de operación del sistema de almacenamiento de los lixiviados Parámetro Unidad Valor Flujo de alimentación L/h 2,67 Tiempo de almacenamiento mes 1 Temperatura ºC 20 Presión atm 0,72 En seguida se muestran, en la Tabla 3.30, las características de los silos para el almacenamiento del cemento y la cal, ambos recipientes de acero inoxidable. Tabla 3.30. Especificaciones del sistema de almacenamiento de cemento y cal Parámetro Unidad Valor Material – Acero inoxidable Volumen m³ 2,6 Altura m 2,8 Diámetro m 4,9 Material – Acero inoxidable Volumen m³ 0,7 Altura m 1,9 Diámetro m 1,2 Silo de almacenamiento de cemento Silo de almacenamiento de cal En la Tabla 3.31 se presentan las características de la bomba a emplearse para el transporte de los lixiviados desde el tanque de almacenamiento hacia la máquina mezcladora, cuyo catálogo se indica en el Anexo X (sección 3, página 235). Tabla 3.31. Características de la bomba para el transporte de los lixiviados desde el tanque de almacenamiento hacia la máquina mezcladora Parámetro Unidad Valor Caudal de operación m³/h 1,2 Potencia kW 0,35 Tiempo de bombeo min 100 126 3.5.6 DISTRIBUCIÓN DE LOS EQUIPOS EN PLANTA Finalmente, a continuación se presenta en la Figura 3.22, la distribución de los equipos mencionados en el punto 3.5.4 en la planta de tratamiento de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola. Silo Cemento Silo Cal VESTIDORES Y SANITARIOS BODEGA PARA ALMACENAMIENTO DE LA MATERIA PRIMA Máquina mezcladora 7350,00 RECEPCIÓN DE LA MATERIA PRIMA Y DESCARGA DEL SÓLIDO ESTABILIZADO Tanque Lixiviado LABORATORIO Máquina de vibro compactación Balanza de plataforma CUARTO DE CURADO Carretilla elevadora Máquina de ensayos ÁREA ADMINISTRATIVA Figura 3.22. Vista superior de la planta de tratamiento de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola 3.6 EVALUACIÓN ECONÓMICA DEL SISTEMA PROPUESTO Y COMPARACIÓN CON MÉTODOS ALTERNATIVOS A continuación se detallan los resultados obtenidos para la evaluación económica preliminar del sistema propuesto para el tratamiento de los lixiviados resultantes 127 de la disposición inadecuada de polvo de acería sobre suelo agrícola. Ésta se efectuó a partir de los aspectos técnicos del proyecto, de modo que se fundamentó en la información expuesta en los puntos 3.5.1, 3.5.4, 3.5.5 y 3.5.6 de este capítulo. En cuanto a los cálculos desarrollados para la determinación de los valores a presentarse, éstos se puntualizan en el Anexo IX. 3.6.1 INVERSIONES En este punto se describen los costos involucrados en la implementación del sistema de tratamiento de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola. 3.6.1.1 Inversión fija A continuación se presenta, en la Tabla 3.32, la inversión requerida para la construcción de la planta de tratamiento y la adquisición del terreno donde la misma se va a instalar. Dado que las muestras de polvo de acería y de suelo agrícola ensayadas en el presente proyecto corresponden al sector de Lasso, Cotopaxi, se va a considerar el importe de un predio en esa región. Respecto al área, ésta se estimó a partir de la distribución en planta presentada en la Figura 3.22 y de las dimensiones de los equipos expuestas en el punto 3.5.5. Tabla 3.32. Inversión en terrenos y construcciones Denominación Terreno Área (m²) Valor unitario (USD) Inversión (USD) 417,00 30,00 12 510,00 Planta de tratamiento 300,00 300,00 90 000,00 Drenes de recolección de lixiviados 87,00 500,00 43 500,00 Área administrativa 30,00 200,00 3 000,00 Construcciones Total 152 010,00 Por lo tanto, la inversión en terrenos y construcciones es $ 152 010,00. 128 En seguida se presenta la Tabla 3.33, en la que se detalla la inversión en maquinaria y equipos. Ésta se fundamentó en el dimensionamiento de los equipos requeridos para el tratamiento de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola y de las proformas obtenidas para los mismos, mismas que se exponen en el Anexo X. Adicionalmente, en la Tabla 3.34 se puntualiza la inversión en otros activos necesarios para la planta. Tabla 3.33. Inversión en maquinaria y equipos Denominación Cantidad Valor unitario (USD) Inversión (USD) Tanque de almacenamiento T - 101 1 450,00 450,00 Bomba centrífuga (con motor) P - 101 1 150,00 150,00 Máquina mezcladora M - 101 1 1 300,00 1 300,00 Máquina de vibro - compactación M - 102 1 2 500,00 2 500,00 Tecle E - 101 1 150,00 150,00 Aspersor A - 101 1 50,00 50,00 Carretilla elevadora 1 1 200,00 1 200,00 Unidades auxiliares 1 4 500,00 4 500,00 Instrumentación y mandos 1 900,00 900,00 Lote de tuberías y accesorios de acero 1 100,00 100,00 Balanza de plataforma 1 1 000,00 1 000,00 Total 12 300,00 Precio total del equipo en fábrica (+40 %) 17 220,00 Tabla 3.34. Inversión en otros activos Activo Cantidad Valor unitario (USD) Inversión (USD) Escritorio metálico 1 600,00 600,00 Teléfono 2 50,00 100,00 Computador e impresora 1 1 100,00 1 100,00 Estantes y archivadores 4 560,00 2 240,00 Otros – 500,00 Taller mecánico – 3 800,00 Equipo de laboratorio – 10 000,00 Vehículos (camioneta) 1 6 000,00 6 000,00 Total 24 340,00 129 En la Tabla 3.35 se resumen los resultados obtenidos para la inversión fija que implica la planta de tratamiento diseñada en la presente tesis. Tabla 3.35. Inversión fija Inversión fija Valor (USD) Terreno 12 510,00 Construcciones 136 500,00 Maquinaria y equipos 18 095,00 Otros activos 24 340,00 Imprevistos de la inversión fija (10 % Rubros anteriores) 19 144,50 Total 210 589,50 3.6.1.2 Capital de operación A continuación se presenta el detalle de las inversiones requeridas para la operación de la planta de tratamiento de los lixiviados, calculadas para cada semestre. Para iniciar, se exponen en la Tabla 3.36 los costos que semestralmente implica la mano de obra directa e indirecta requerida para la planta de tratamiento de los lixiviados generados por el suelo agrícola y percolados a través del suelo agrícola. Tabla 3.36. Inversión semestral en mano de obra Función No. Sueldo mensual (USD) Total semestral (USD) Obrero 2 500,00 6 000,00 Jefe de planta 1 750,00 4 500,00 Laboratorista 1 750,00 4 500,00 Mecánico electricista 1 700,00 4 200,00 Total 13 200,00 La jornada de trabajo del personal indicado es de 8 h diarias, tanto para el personal administrativo así como el involucrado en el proceso de producción. En la Tabla 3.37 se presenta la inversión que semestralmente implica la materia prima para la estabilización de los lixiviados por encapsulación. Las cantidades 130 especificadas para cada material resultan de los balances de masa desarrollados en el Anexo VII. Adicionalmente, cabe destacar que todos los insumos son de fácil adquisición en el mercado ecuatoriano, sin restricción de ningún tipo, y no requieren de un manejo y transporte especial. Tabla 3.37. Inversión semestral en materiales directos Material Cantidad Unidad Valor unitario (USD) Inversión (USD) Cemento 4,00 t/mes 152,80 3 667,20 Cal 1,00 t/mes 160,00 960,00 Agua de servicios generales 10,00 m³/mes 0,31 18,60 Agua de curado de los bloques 1,80 m³/mes 0,31 3,35 Diésel 31,40 gal/mes 0,91 171,44 Total 4 820,59 En la Tabla 3.38 se resumen los costos de carga fabril que semestralmente implica la instalación y puesta en marcha de la planta de tratamiento de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola. Tabla 3.38. Carga fabril semestral Depreciación Vida útil (años) Carga semestral (USD) Construcciones 25 2 730,00 Maquinaria y equipo 15 603,17 Vehículos 5 600,00 Reparación y mantenimiento (5 % Rubros anteriores) 196,66 Suministros Agua 21,95 Electricidad 650,00 Transporte 1 500,00 Subtotal Imprevistos Carga fabril (5 % Rubros anteriores) Total 6 301,77 315,09 6 616,86 En la Tabla 3.39 se resumen los resultados obtenidos para el capital que implica la operación de sistema propuesta en el presente proyecto. 131 Tabla 3.39. Capital de operación por semestre Capital de operación Valor (USD) Materiales directos 4 820,59 Mano de obra 13 200,00 Carga fabril 6 616,86 Total 24 637,45 3.6.1.3 Inversión total y financiamiento En la Tabla 3.40 se compilan las inversiones que implica la planta de tratamiento de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola. Debido al monto que le corresponde a la inversión total, se propone que el 50% del proyecto se financie con el patrimonio de los accionistas de la empresa responsable de la generación del polvo de acería y el 50% restante se cubra con préstamos otorgados por el banco. Tabla 3.40. Resumen de inversiones Inversiones Valor (USD) Inversión fija 210 589,50 Capital de operación 24 637,45 Inversión total 235 226,95 Capital social (50 % Inversión total) 117 613,48 Financiamiento (50 % Inversión total) 117 613,48 3.6.2 GASTOS FINANCIEROS Como se especificó en el punto anterior, el 50% de la inversión total del proyecto se financiará con préstamos otorgados por el banco. Al respecto, se propone un plazo de préstamo de cinco años, dos años de gracia y una tasa interés de 9 % semestral (a fin de desarrollar la evaluación económica preliminar bajo las peores condiciones). Consecuentemente, en la Tabla 3.41 se reportan a continuación los valores de amortización e interés para cada uno de los diez semestres de plazo. 132 Tabla 3.41. Gastos de administración y ventas Semestre Cuota (USD) Interés (USD) Amortización (USD) Capital reducido (USD) 0 117 116,15 1 10 540,45 10 540,45 0,00 117 116,15 2 10 540,45 10 540,45 0,00 117 116,15 3 10 540,45 10 540,45 0,00 117 116,15 4 10 540,45 10 540,45 0,00 117 116,15 5 26 107,51 10 540,45 15 567,05 101 549,10 6 26 107,51 9 139,42 16 968,09 84 581,01 7 26 107,51 7 612,29 18 495,22 66 085,79 8 26 107,51 5 947,72 20 159,79 45 926,01 9 26 107,51 4 133,34 21 974,17 23 951,84 10 26 107,51 2 155,67 23 951,84 0,00 Total 198 806,85 81 690,70 3.6.3 INGRESOS POR CONCEPTO DE MULTAS Dado que el objeto de la planta a diseñarse en el presente proyecto no es la producción de un bien o servicio, sino la remedición de un pasivo ambiental, la industria que lo implemente no percibirá ingresos como tal sino que se evitará el pago de multas por infracciones ambientales. Tal como lo cita la bibliografía, el incumplimiento de las normas técnicas ambientales se castiga con una multa de entre 20 y 200 salarios básicos unificados en función del nivel y tiempo de la infracción, además de la restauración del recurso natural afectado. Para esto, se desarrollan bianualmente auditorías ambientales de cumplimiento. (Ministerio del Ambiente de Ecuador, 2003, p. 11) En el caso del presente proyecto, se va a considerar que la empresa causante de la contaminación por motivo de la disposición inadecuada de polvo de acería recibirá la sanción mínima (20 salarios básicos unificados) en caso de no hacerse responsable de sus efluentes. Por lo tanto, si bajo estas consideraciones el proyecto resulta rentable, lo será aún más con multas mayores por incumplimiento de las normas técnicas ambientales. 133 Por otro lado, con los resultados obtenidos en el presente proyecto se comprobó el riesgo de problemas en la calidad de las aguas subterráneas del sector de Lasso a largo plazo. En cuanto a los costos de remediación, Moran (2001) reconoce que la disponibilidad de datos al respecto es limitada (p. 63). Sin embargo, para casos específicos como las actividades de remediación en la cuenca del río Parcoy - Llacuabamba (Perú) se reportan valores de $ 75 000,00 en 1997 (Ministerio de Energía y Minas de Perú, 1997, p. 7), por lo que se podrían presumir cantidades iguales o mayores para la remediación con la que deberían proceder las empresas generadoras de polvo de acería si no se tratan los lixiviados producidos por este residuo y percolados a través del suelo agrícola. Con base en lo mencionado en el párrafo anterior, se asumirán como mínimo costos de remediación equivalentes a la multa respectiva. Entonces, dado que para el 2013 el salario básico en Ecuador es igual a $ 318,00 de acuerdo a la información presentada por el Ministerio de Relaciones Laborales (2013, p. 1), y que las auditorías se realizan bianualmente, el importe que se dejaría de pagar si se efectúa el tratamiento de los lixiviados generados por el polvo de acería es $ 4 102,20. 3.6.4 INDICADORES ECONÓMICOS A partir de los resultados presentados hasta el momento, mismos que se resumen a continuación en la Tabla 3.42, se determina el punto de equilibrio del proyecto. Tabla 3.42. Datos económicos necesarios para el cálculo del punto de equilibrio Costos fijos (USD) Costos variables (USD) Materiales directos 4 820,59 Mano de obra 13 200,00 Depreciación 3 904,00 Reparación y mantenimiento 195,20 Suministros Imprevistos Carga fabril Gastos financieros Costos totales semestrales 671,95 313,56 26 107,51 43 720,26 5 492,54 134 Por tanto, para costos fijos semestrales iguales a $ 43 720,26, costos variables semestrales de $ 5 492,54 e ingresos netos (representados por el no pago de las multas) de $ 49 226,40 por semestre, el punto de equilibrio es igual a 100%. En la Tabla 3.43 se resumen en seguida los indicadores económicos del proyecto, cuyo cálculo se detalla en el Anexo IX (4, p. 231). Tabla 3.43. Indicadores económicos del proyecto Indicador Unidad Valor Costo diario por unidad de lixiviado USD/m³ 23,48 Punto de equilibrio % 100 Retorno sobre la inversión % 0 Como se reporta en la Tabla 3.43, el punto de equilibrio es igual a 100 %, lo que significa que se debe cubrir la totalidad de los lixiviados producidos para no percibir pérdidas desde el punto de vista del no pago de multas. La tasa de retorno en los seis primeros meses de operación de la planta de tratamiento es aproximadamente 0 %, por lo que no se puede afirmar que la propuesta sea económicamente factible. Sin embargo, el proyecto no fue concebido como un negocio, sino como una obligación en el sentido de que las empresas generadoras de polvo de acería deben hacerse responsables de sus desechos, de modo que una tasa de retorno de 0 % es suficiente como para afirmar de que por lo menos el costo no es mayor al beneficio. Por otro lado, si se compara la tasa de retorno sobre la inversión del proyecto con la tasa pasiva máxima referencial de 8,17 % anual reportada por el Banco Central del Ecuador (2013) para noviembre de 2013 (p. 1), se evidencia que resulta más rentable invertir en el banco que en el proyecto. Empero, los beneficios que le implica a la empresa el tratamiento de los lixiviados generados por su polvo de acería y el daño que le causaría el no tratamiento tienen una importancia superior a las ganancias que se recibirían a causa de la disposición del capital en el banco. 135 3.6.5 RESUMEN DE RESULTADOS DE LA EVALUACIÓN ECONÓMICA La inversión total para iniciar el proyecto de construcción y puesta en marcha de la planta de tratamiento de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola es $ 234 232,30, de los cuales el 50 % se financiará con el patrimonio de los accionistas y el 50 % restante con préstamos otorgados por el banco. Dado que se asume un plazo de préstamo de cinco años con una tasa de interés anual de 18 %, durante los dos primeros años de gracia se cubrirán únicamente los intereses por un valor de $ 10 540,45 semestral, mientras que para los seis semestres subsiguientes la cuota que semestralmente se deberá pagar al banco será de $ 26 107,51, la cual incluye la amortización respectiva. El punto de equilibrio del proyecto es igual a 100 %, lo que implica que se debe tratar la totalidad de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola para que la inversión en la operación del sistema no sea mayor a lo que se deja de pagas a causa de las multas. La tasa de retorno en los seis meses de trabajo de la planta es 0 %, menor a la tasa pasiva máxima referencial de 8,17 % anual reportada por el Banco Central del Ecuador (2013) para noviembre de 2013 (p. 1), demostrándose que el proyecto no es económica rentable si se lo concibe como un negocio. 3.6.6 COMPARACIÓN CON MÉTODOS ALTERNATIVOS Con base en la evaluación económica preliminar del presente proyecto, se lo contrastará con las siguientes alternativas: depuración de lixiviados por métodos no convencionales, propuesta por Guanoluisa (2012); estabilización directa del polvo de acería, planteada por Nicolalde (2008); y, valorización del material y posterior tratamiento del residuo, desarrollada por Espinoza (2012). A fin de disponer de herramientas para la comparación, dichas opciones se resumen a continuación. Como se indicó en el punto 1.3.3 de la introducción, Guanoluisa (2012) propone un sistema de tratamiento de lixiviados conformado por electrocoagulación como 136 tratamiento primario, fitorremediación como tratamiento secundario y adsorción en carbón activado como tratamiento terciario. Con estos procesos se logra reducir la concentración de los contaminantes hasta valores aceptados por la norma técnica del Municipio del Distrito Metropolitano de Quito. (pp. xvi-xvii) El sistema, diseñado para un caudal de 120 m³/día, consta de un reactor de electrocoagulación de 2 m³, cuyas especificaciones se muestran en la Tabla 3.44; un sistema de humedales superficiales de pasto elefante (material vegetativo) y grava (sustrato inerte), cuyas características se presentan en la Tabla 3.45; y una columna de carbón activado, cuyos parámetros se exponen en la Tabla 3.46, e implica costos de operación de 1,57 USD/m³. (Guanoluisa, 2012, pp. 145-149) Tabla 3.44. Especificaciones del sistema de electrocoagulación Parámetro Unidad Valor Material – Acero inoxidable Ancho m 1,2 Longitud m 1,4 Altura m 1,2 Material – Aluminio Espesor cm 5 Longitud m 1 Altura m 1 Número de cátodos – 8 Número de ánodos – 7 cm 3,2 m³/día 120 Tiempo de reacción min 20 Tiempo de operación h 24 Voltaje V 6-7 Corriente A 848 Reactor Electrodos Espacio entre electrodos Condiciones de operación Caudal (Guanoluisa, 2012, p. 145) 137 Tabla 3.45. Especificaciones del sistema de humedades artificiales Parámetro Unidad Valor Humedales Ancho de la celda m 16 Longitud de la celda m 24 Altura del humedal m 0,8 Número de celdas – 6 Área superficial total m² 2 300 días 1 Condiciones de operación Tiempo de retención hidráulico (Guanoluisa, 2012, p. 147) Tabla 3.46. Especificaciones del sistema de adsorción en carbón activado Parámetro Unidad Valor Columna Diámetro m 0,9 Altura m 2,2 Altura del lecho de carbón m 1,3 Número de columnas – 3 Granulometría malla 8 × 20 Densidad kg/m³ 450 kg 373,9 Velocidad lineal m/h 7,9 Tiempo de contacto min 10 Carbón activado Masa por columna Condiciones de operación (Guanoluisa, 2012, pp. 148,149) En la etapa de electrocoagulación se alcanzan remociones de 78,6 % para los sólidos suspendidos, 73,5 % para el DBO5, 40,4 % para el DQO y 79,4 % para el color; en los humedales superficiales se eliminan el 13,2 % de los sólidos suspendidos, 91,2 % del DBO5 y 65,4 % del DQO; y en las columnas de carbón activado se consigue una remoción del 70,7 % del color, 15,5 % del DBO 5 y 90,3 % del 138 DQO. En cuanto a la evaluación económica de este sistema, el costo de depuración resultó en $ 1,57 por m³ de lixiviado. (Guanoluisa, 2012, pp. 144-150,157) Espinoza (2012) propone la recuperación de zinc a partir del polvo de acería por medio de los siguientes procesos: 1) lixiviación del residuo durante 6 h, en lecho agitado a 750 rpm, con ácido sulfúrico 150 g/L, al 30 % de sólidos; 2) filtración de las pulpas lixiviadas; 3) electrólisis de la solución fuerte a 400 A/m² durante 10 h; y, 4) fusión del zinc catódico con cloruro de amonio para la obtención del producto en forma metálica. De este modo, se obtuvieron 26,5 g (26,5 % en masa respecto a la muestra inicial) de zinc metálico de 92,3 % de pureza. (pp. xiii,xiv,44,45) Ricaurte (2013), quien diseñó un sistema de recuperación de zinc a partir de polvo de acería basado en los resultados obtenidos por Espinoza (2012), definió los requerimientos que se enumeran en la Tabla 3.45 para la planta de valorización, y estableció una utilidad de $ 15,43 por tonelada de polvo tratado. (p. 106) Tabla 3.47. Equipamiento necesario para la planta de recuperación de zinc a partir de polvo de acería Parámetro Unidad Tanques agitados 6 Tanques de almacenamiento 4 Compresor 1 Bombas centrífugas 2 Celda electrolítica 16 Horno de fusión 1 (Ricaurte, 2013, pp. 99-115) En cuanto a la opción planteada por Nicolalde (2008), quien propone la incorporación de polvo de acería en la preparación del hormigón a ser utilizado en la fabricación de adoquines huecos, ésta no requiere de equipos o instalaciones especiales, sino simplemente una modificación en las materias primas que participan del proceso de producción de dichos bloques. Los resultados obtenidos a nivel de laboratorio demuestran que la adición de hasta 5 % de polvo de acería aumenta la resistencia a la compresión de los ladrillos de hormigón y no afecta considerable- 139 mente sus propiedades físicas y químicas. Además, se comprobó que los metales pesados que contenían las muestras ensayas fueron encapsuladas en la matriz de cemento del bloque. (pp. 3,119-121) En la Tabla 3.48 se comparan a continuación los costos que implica el tratamiento de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo con dos métodos diferentes: el propuesto por Guanoluisa (2012, pp. 144-150) y el analizado en el presente proyecto de titulación. Además se incluyen las ganancias que se obtienen con otras alternativas como la estabilización directa del polvo de acería para la producción de bloques y adoquines y el tratamiento del residuo para la recuperación de zinc, a fin de determinar si resulta más rentable aprovechar el desecho de acería en la obtención de productos comercializables. Tabla 3.48. Costo de los métodos de tratamiento de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo Método Costo/Ganancia Unidad Estabilización del lixiviado por encapsulación 23,48 USD/m³ Depuración del lixiviado mediante electrocoagulación y fitorremediación* 1,57 USD/m³ Estabilización directa del polvo de acería para la producción de bloques y adoquines** 10,35 USD/t Valorización del material y posterior tratamiento del residuo para la recuperación de zinc*** 15,43 USD/t * (Guanoluisa, 2012, p. 157) ** (Nicolalde, 2008, pp. 104-113) *** (Espinoza, 2012, p. 143) Los costos de la Tabla 3.48 sugieren que el tratamiento de los lixiviados aplicando electrocoagulación y fitorremediación es quince veces menor que la estabilización de estos efluentes con cemento y cal. Sin embargo, se debe tener en cuenta que la proponente de dicha depuración no considera en su análisis económico la construcción del sistema de recolección del efluente, el cual, para los datos del presente proyecto, corresponde al 19% de la inversión total. 140 Por otro lado, aparte del aspecto económico, se debe considerar que el sistema propuesto en el presente proyecto resulta en una disposición última de los lixiviados generados sin el surgimiento de residuos paralelos, su aplicación es simple e independiente de condiciones ambientales, y no se necesita del tratamiento de otros participantes del proceso, como es el caso del carbón activado para la depuración con electrocoagulación y fitorremediación. Ahora, además del tratamiento de los lixiviados, existe la opción de no invertir en el tratamiento de efluente alguno, debido a la recolección del desecho depositado sobre el suelo agrícola, y más bien percibir ingresos mensuales como consecuencia de su aprovechamiento en la producción de bloques y adoquines o en su reciclaje para la recuperación de zinc. Dado que según Espinoza (2012, p. 143) y Nicolalde (2008, p. 113) los procesos que proponen resultan en ganancias luego de que se ha cubierto la inversión inicial, es evidente que estas opciones son mejores que el simple tratamiento de los lixiviados generados por el depósito del polvo de acería sobre el suelo. Sin embargo, las personas mencionadas desarrollaron sus proyectos para el desecho sólido recolectado por los sistemas de captación de gases, de modo que no consideraron en sus análisis económicos el costo que implica el retiro del polvo de acería acumulado sobre el suelo. Empero, incluyendo esta inversión, las alternativas anteriores serán más rentables que el simple tratamiento de un desecho para su disposición final. Adicionalmente, además de resultar más rentables, el retiro del polvo de acería de la superficie del suelo para su aprovechamiento en la obtención de un producto comercializable es la opción más responsable desde el punto de vista ambiental, ya que el residuo afecta además al suelo. Finalmente, de las opciones presentadas, la valorización del material y posterior tratamiento del residuo para la recuperación de zinc propuesto por Espinoza (2012, p. 143) es el más atractivo desde el punto de vista económico, pues proporciona las mayores ganancias mensuales. 141 4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 4.1 CONCLUSIONES 1. La composición química del suelo de la zona Cuchitingue, clasificado como agrícola por su contenido de materia orgánica (10,88 %), neutro respecto al pH (6,87) y normal debido a la conductividad (235 μS/cm), se ve afectada por la disposición inadecuada de polvo de acería tóxico, excesivamente alcalino (pH igual a 12,69) y ligeramente salino (344 μS/cm de conductividad) sobre su superficie, especialmente respecto al cromo, cuya concentración aumentó de 90 mg/kg a 107 mg/kg debido a una transferencia desde el residuo de acería hacia el suelo. 2. El polvo de acería que se deposita en la zona agrícola Cuchitingue (Lasso, Cotopaxi) es un residuo peligroso y tóxico, debido a su alto contenido de los metales pesados zinc (16,4 %), hierro (9,8 %) y cadmio (0,8 %), a su tamaño de partícula d50 igual a 94 µm, y a la concentración de cadmio y plomo en el extracto lixiviado obtenido con la aplicación del test TCLP EPA 1311 sobre este sólido, igual a 11 mg/L y 195 mg/L respectivamente. 3. La alimentación continuada durante 3 meses de 0,15 mL/h de agua potable a lisímetros de 6 cm de diámetro y 75 cm de altura, con capas de 5 cm de grava, 50 cm de suelo y 15 cm de polvo de acería, no produjo un cambio significativo en el pH y la conductividad del suelo agrícola y el polvo de acería. Estos parámetros disminuyeron debido a la disolución en el agua de las sales que le proporcionan el carácter básico; mientras que el pH del suelo agrícola decreció en la unidad conformada por únicamente suelo. En los conjuntos compuestos por 50 cm de suelo agrícola y 15 cm de polvo de acería el pH del primero aumentó, a consecuencia de una transferencia de sales desde el polvo de acería hacia el suelo. 142 4. La alimentación continuada durante 3 meses de 0,15 mL/h de agua potable a lisímetros de 6 cm de diámetro y 75 cm de altura a capas de 5 cm de grava, 50 cm de suelo y 15 cm de polvo de acería, no produjo cambios significativos en la composición química del suelo y el polvo. Sin embargo, en los sistemas compuestos por 50 cm de suelo agrícola y 15 cm de polvo de acería se desarrolló un enriquecimiento de cromo y cobre por parte del suelo, y una pérdida de aluminio, calcio, hierro, potasio, magnesio, sodio y zinc. En cuanto al polvo de acería, en éste se redujo la concentración de cadmio, hierro, plomo y zinc en cada una de los sistemas de los que formaba parte. 5. La caracterización mineralógica de las muestras de suelo y polvo de acería reveló una concentración importante de silicatos en el primero (98 %) y de óxidos en el segundo (92 %). En el suelo agrícola se destaca la presencia de caolinita, que conformó la parte activa de este sistema, mientras que en el polvo de acería se registró un contenido de 40 % de óxido de zinc y 33 % de óxido de hierro, convirtiéndolo en una materia prima interesante para su reciclaje y posterior recuperación de estos metales. 6. El pH de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola tendió a disminuir con el tiempo durante los 3 meses de ensayo, mientras que el contenido de carbón orgánico total se mantuvo constante en el sistema con suelo agrícola y polvo de acería y aumentó en el sistema con sólo suelo, debido a la deficiente aireación del suelo que impidió la solubilización de la fracción orgánica en el agua de percolación. 7. Los efluentes obtenidos en dos sistemas conformados uno por únicamente 50 cm de suelo y otro por solamente 15 cm de polvo de acería cumplen con los requerimientos establecidos por la normativa TULAS para ser descargados en cuerpos de agua dulce, al contrario de los lixiviados generados por 15 cm de polvo de acería y percolados a través de 50 cm de suelo agrícola, cuyo contenido de cromo y arsénico los convierte en potencialmente peligrosos al ser superiores a 0,5 mg/L y 0,1 mg/L respectivamente. 143 8. La tasa de disolución del silicio, aluminio, zinc, níquel, plata y plomo es menor en los sistemas de suelo afectado con polvo de acería respecto a los sistemas con únicamente suelo agrícola y solamente polvo de acería; en el caso del cobre y el hierro, su razón de disolución es negativa en las unidades experimentales de suelo agrícola afectado con polvo de acería, y positiva en las conformadas con sólo suelo y sólo polvo, lo que demuestra el agua alimentada al suelo afectado deposita hierro y cobre en el sistema, en lugar de enriquecerse con estos elementos, debido a la mala aireación del suelo a consecuencia de la capa de polvo. 9. Los lixiviados generados por 15 cm de polvo de acería y percolados a través de 50 cm de suelo agrícola se trataron con cemento Portland y cal en relaciones líquido/sólido de 0,4, 0,5 y 0,6, determinándose que únicamente las dos primeras entregan productos que alcanzan la humedad requerida para poder ser confinado en rellenos sanitarios menor a 10 %, y que de éstas la relación líquido/sólido igual a 0,4 termina en un sólido cuyo extracto lixiviado presenta concentraciones más alejadas de los límites máximos permisibles establecidos por el método EPA 1311 para el cadmio y el plomo. 10. Para la estabilización de 2,67 L/h de lixiviado generado en el polvo de acería y percolado a través de suelo agrícola se propone el siguiente procedimiento: 1) almacenamiento del lixiviado por 1 mes, 2) mezcla del lixiviado con 4 t de cemento y 1 t de cal durante 4 min, 3) moldeo y compactación de la mezcla durante 30 s, 4) curado de los bloques durante 3 días seguido por un secado de 3 días, y 5) transporte de los bloques al relleno sanitario. 11. La estabilización por encapsulación de 2 m³ mensuales de lixiviado es requiere 4 t de cemento y 1 t de cal, un tanque de almacenamiento del líquido de 1,5 m de diámetro, 2,1 m de altura y 2,5 mm de espesor, una bomba centrífuga de 0,35 kW de potencia y silos de 1,9 m de diámetro y 2,8 m de altura para el almacenamiento del cemento y de 1,2 m de diámetro y 1,9 m de altura para el almacenamiento de la cal, además de un tecle, una máquina mezcladora 144 de 14 m³/h de capacidad, una máquina de vibro - compactación y un aspersor que irriga 0,12 m³/h de agua. 12. La estabilización por encapsulación de 2 m³ mensuales de lixiviado con 4 t de cemento y 1 t de cal implica un costo semestral de $ 50 712,80, con una inversión fija de $ 209 627,00 y una inversión diaria de $ 23,48 por m³ tratado. A estos valores les corresponde un punto de equilibrio de 100 % y una tasa de retorno de 0 %. 13. La estabilización de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola es una alternativa 40 veces más costosa que su depuración mediante electrocoagulación y fitorremediación. Asimismo, resulta mucho más rentable la recolección del residuo de acería depositado sobre el suelo y su reciclaje para la manufacturación de productos comercializables. como bloques y adoquines o zinc, siendo el segunda el que representa mayores ganancias. 4.2 RECOMENDACIONES 1. Respecto al tratamiento de efluentes líquidos con contenidos de metales pesados superiores a la normativa TULAS, se recomienda su estabilización por encapsulación empleándolos como agente de fraguado, dado que tradicionalmente esta técnica se ha considerado únicamente para el tratamiento de desechos sólidos peligrosos y con el uso de agua potable como líquido de fraguado. 2. Debido a los buenos resultados obtenidos para la estabilización por encapsulación del extracto lixiviado resultante del análisis toxicológico TCLP sobre el polvo de acería, se recomienda aplicar el método propuesto en la presente tesis para el tratamiento de efluentes con un mayor contenido de metales pesados, resaltándose el caso de los efluentes de la industria textil que se caracterizan por su alto contenido de cromo. 145 3. En el marco de la estabilización de los efluentes contaminados con metales pesados, se recomienda ensayar diversos materiales puzolánicos, cenizas por ejemplo, a fin de determinar si éstos resultan en sólidos que cumplen con los requerimientos para ser confinados en rellenos sanitarios. 146 BIBLIOGRAFÍA Acería del Ecuador C.A. (2011). Tratamiento de humos. Recuperado el 20 de noviembre de 2012, de http://www.adelca.com/sitio/esp/reciclaje_emisiondegases.php Adams, M. (1995). Fundamentos de química de suelos. Caracas, Venezuela: Anauco Ediciones. 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Datos experimentales obtenidos para la determinación de la densidad aparente de las muestras de suelo y polvo de acería Muestra Suelo agrícola Polvo de acería Ensayo No. Masa de la probeta (g) Masa de la probeta + muestra (g) Volumen (mL) 1 105,4 310,2 250,0 2 105,6 320,1 250,0 3 109,5 316,2 250,0 1 106,3 124,6 20,0 2 106,4 124,3 20,0 3 107,3 126,0 20,0 Dado que la densidad aparente de una muestra es la relación entre su masa y el volumen total ocupado por el sólido y por el espacio poroso, ésta se calcula con la siguiente ecuación: ߩ ൌ ݉ெା െ ݉ ܸெ [ A.I.1 ] 160 Donde ݉ es la masa de la probeta, ܸெ es el volumen de la muestra y ݉ெା es la masa de la probeta y la masa que le corresponde al volumen de muestra ܸெ . Para el ejemplo de cálculo se considerarán los datos correspondientes al ensayo No. 1 de la muestra de suelo. Por tanto, aplicando la ecuación [ A.I.1 ] se obtiene: ߩ ൌ ͵ͳͲǡʹ݃ െ ͳͲͷǡͶ݃ ࢍ ՜ ࣋ ൌ ǡ ૡ ʹͷͲǡͲ݉ܮ ࡸ Desarrollando el mismo proceso sobre todos los datos de la Tabla A.I.1, se determina que la densidad aparente de las muestras de suelo agrícola y polvo de acería es respectivamente: ࣋ ࡿ࢛ࢋ ൌ ǡ ૡ േ ǡ ࢍȀࡸ ࣋ ࡼ࢜ ൌ ǡ ૢ േ ǡ ࢍȀࡸ 2. DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD REAL A continuación se presenta la Tabla A.I.2, en la que se indican los datos experimentales obtenidos para la determinación de la densidad real del suelo y del polvo de acería a partir de la aplicación del método detallado en el apartado 2.2.2. Tabla A.I.2. Datos experimentales obtenidos para la determinación de la densidad real de las muestras de suelo y polvo de acería Muestra Suelo agrícola Polvo de acería Ensayo No. Masa del picnómetro (g) Masa del picnómetro + muestra (g) Masa del picnómetro + muestra + agua (g) Masa del picnómetro + agua (g) 1 15,5748 16,5690 42,0411 41,6089 2 15,6178 16,5750 42,0436 41,6232 3 15,5990 16,5717 42,1074 41,6873 1 15,7415 16,7452 42,2801 41,6657 2 15,7709 16,7533 42,3196 41,7586 3 15,8320 16,7761 42,2888 41,7271 161 La densidad real de una muestra es la relación entre la masa de las partículas sólidas y el volumen ocupado por las mismas, excluyéndose el volumen correspondiente a los poros entre las partículas Por lo tanto, se calcula con la ecuación: ߩோ ൌ ൬ ݉ଶ െ ݉ଵ ൰ ൈ ߩுమ ை ሺ݉ଶ െ ݉ଵ ሻ െ ሺ݉ଷ െ ݉ସ ሻ [ A.I.2 ] Donde ݉ଵ es la masa del picnómetro vacío, ݉ଶ es la masa del conjunto picnóme- tro - muestra, ݉ଷ es la masa del picnómetro con muestra y lleno de agua, y ݉ସ es la masa del picnómetro lleno únicamente con agua destilada. Reemplazando en la ecuación [ A.I.2 ] los datos correspondientes al ejemplo de cálculo (ensayo No. 1 de la muestra de suelo) se obtiene lo siguiente: ͳǡͷͻͲ݃ െ ͳͷǡͷͶͺ݃ ݃ ࢍ ߩோ ൌ ൬ ൰ ൈ ͳ ՜ ࣋ࡾ ൌ ǡ ૠૠ ሺͳǡͷͻͲ െ ͳͷǡͷͶͺሻ݃ െ ሺͶʹǡͲͶͳͳ െ ͶͳǡͲͺͻሻ݃ ݉ܮ ࡸ Desarrollando el mismo proceso sobre todos los datos de la Tabla A.I.2, se estima que la densidad real de las muestras de suelo agrícola y polvo de acería es: ࣋ࡾ ࡿ࢛ࢋ ൌ ǡ ૠૠ േ ǡ ࢍȀࡸ ࣋ࡾ ࡼ࢜ ൌ ǡ േ ǡ ࢍȀࡸ 3. DETERMINACIÓN DE LA POROSIDAD La porosidad (ߝ) se calcula relacionando las densidades real (ߩோ ) y aparente (ߩ ) de una muestra, tal como se muestra en la siguiente ecuación: ߝ ൌ ൬ͳ െ ߩ ൰ ൈ ͳͲͲΨ ߩோ [ A.I.3 ] Consecuentemente, la porosidad de las muestras de suelo agrícola y polvo de acería es 52,87 y 62,80 %, respectivamente. 162 4. DETERMINACIÓN DE LA HUMEDAD A continuación se presenta la Tabla A.I.3, en la que se indican los datos experimentales obtenidos para la determinación de la humedad de las muestras de suelo y polvo de acería luego de la aplicación del método expuesto en el punto 2.2.4. Tabla A.I.3. Datos experimentales obtenidos para la determinación de la humedad de las muestras de suelo y polvo de acería Muestra Suelo agrícola Polvo de acería Ensayo No. Masa del crisol (g) Masa de la muestra húmeda (g) Masa del crisol y la muestra seca (g) 1 21,5576 1,0008 22,4747 2 20,8251 1,0008 21,7449 3 21,2282 1,0001 22,1487 1 20,7562 1,0002 21,7252 2 20,8252 1,0005 21,7915 3 20,8049 1,0003 21,7615 El contenido de humedad (݄), expresado como porcentaje, se determina aplicando las ecuaciones que se presentan a continuación: ݄ൌ൬ ݉ெு െ ݉ெௌ ൰ ൈ ͳͲͲΨ ݉ெு ݉ெௌ ൌ ݉ାெௌ െ ݉ [ A.I.4 ] [ A.I.5 ] Donde ݉ெு es la masa de la muestra húmeda y ݉ெௌ la masa de la muestra seca, la cual resulta de la diferencia entre la masa del conjunto crisol - muestra seca (݉ାெௌ ) y la masa del crisol (݉ ), como se observa en la ecuación [ A.I.5 ]. Por tanto, con base en los resultados obtenidos y presentados en la Tabla A.I.3, la humedad de la muestra de suelo agrícola analizada en el ensayo No. 1 es: ݉ெௌ ൌ ʹʹǡͶͶ݃ െ ʹͳǡͷͷ݃ ՜ ࡹࡿ ൌ ǡ ૢૠࢍ ͳǡͲͲͲͺ݃ െ Ͳǡͻͳͳ݃ ݄ൌ൬ ൰ ൈ ͳͲͲΨ ՜ ࢎ ൌ ૡǡ Ψ ͳǡͲͲͲͺ݃ 163 Aplicando el mismo cálculo a todos los datos de la Tabla A.I.3, se concluye que la humedad del suelo agrícola y del polvo de acería es, respectivamente: ࢎࡿ࢛ࢋ ൌ ૡǡ േ ǡ Ψ ࢎࡼ࢜ ൌ ǡ േ ǡ Ψ 5. DETERMINACIÓN DEL pH Y DE LA CONDUCTIVIDAD En seguida se presentan los datos experimentales obtenidos para la determinación del pH y la conductividad de las muestras de suelo y polvo de acería con la aplicación, al inicio y final del ensayo, del método expuesto en el punto 2.2.5. Tabla A.I.4. pH y conductividad a temperatura ambiente de las muestras de suelo agrícola al inicio y final de los ensayos en columna Unidad experimental Conductividad (µS) No. 1 No. 2 No. 3 Promedio No. 1 No. 2 No. 3 Promedio 6,87 6,99 6,75 6,87 253 213 240 235 Columna 1 6,75 6,24 6,08 6,36 248 244 233 242 Columna 2 7,00 6,91 7,01 6,97 236 227 250 238 Columna 3 6,99 6,89 6,99 6,96 223 233 238 231 Columna 4 7,01 7,01 6,89 6,97 217 243 225 228 Muestra inicial Muestra final pH Tabla A.I.5. pH y conductividad a temperatura ambiente de las muestras de polvo de acería al inicio y final de los ensayos en columna Unidad experimental Conductividad (µS) No. 1 No. 2 No. 3 Promedio No. 1 No. 2 No. 3 Promedio 12,75 12,63 12,70 12,69 365 352 316 344 Columna 2 12,25 11,59 10,09 11,31 358 324 335 339 Columna 3 10,63 12,53 10,25 11,14 340 324 364 343 Columna 4 11,93 12,31 10,09 11,44 343 330 340 338 Columna 5 11,41 10,45 12,57 11,48 330 334 337 334 Muestra inicial Muestra final pH 164 6. DETERMINACIÓN DEL PODER RETENTIVO DE AGUA A continuación se presenta la Tabla A.I.6, en la que se exponen los datos experimentales obtenidos para la determinación del poder retentivo de agua de la muestras de suelo a partir de la aplicación del método indicado en el punto 2.2.6. Tabla A.I.6. Datos experimentales obtenidos para la determinación del poder retentivo de agua de la muestras de suelo agrícola Ensayo No. Masa del embudo (g) Masa del embudo + muestra (g) Masa del embudo + muestra + agua (g) 1 32,1 112,5 134,3 2 35,5 119,6 137,6 3 41,6 116,0 135,0 El poder retentivo de un suelo corresponde a la cantidad de agua que éste puede retener. Por lo tanto, esta propiedad se determina aplicando la siguiente ecuación: ݉ாெ െ ݉ாெ ܴܲ ൌ ൬ ൰ ൈ ͳͲͲΨ ݉ாெ െ ݉ா [ A.I.6 ] Donde ݉ா es la masa del embudo, ݉ாெ es la masa del embudo con la muestra seca y ݉ாெ es la masa del embudo con la muestra mojada. Consiguientemente, introduciendo en la ecuación [ A.I.6 ] los datos correspondientes a la muestra de suelo agrícola evaluada en el ensayo No. 1, se determina que el poder retentivo de agua es, en este caso: ͳ͵Ͷǡ͵݃ െ ͳͳʹǡͷ݃ ൰ ൈ ͳͲͲΨ ՜ ࡼࡾ ൌ ૠǡ Ψ ܴܲ ൌ ൬ ͳͳʹǡͷ݃ െ ͵ʹǡͳ݃ Aplicando el mismo tratamiento a todos los datos de la Tabla A.I.6, se estima que el poder retentivo del suelo agrícola es: ࡼࡾ ൌ ǡ ૢ േ ǡ ૢΨ 165 7. DETERMINACIÓN DE LA GRANULOMETRÍA En las tablas que se presentan a continuación se exponen los datos experimentales obtenidos para la determinación de la distribución del tamaño de partícula de las muestras analizadas, los cuales resultan del método descrito en el punto 2.2.7. Tabla A.I.7. Datos experimentales obtenidos para la determinación de la distribución del tamaño de partícula de la muestras de suelo agrícola Malla # Abertura del tamiz (µm) Peso retenido (g) 8 2 360 3,00 10 1 700 16,40 20 850 26,80 30 600 18,20 40 425 13,20 50 300 42,00 60 250 9,80 70 212 12,30 80 180 5,70 100 150 10,60 150 106 20,50 200 75 21,40 270 53 9,40 325 45 17,30 400 38 23,60 <400 19 99,80 Total 350,00 Tabla A.I.8. Datos experimentales obtenidos para la determinación de la distribución del tamaño de partícula de la muestras de polvo de acería Malla # Abertura del tamiz (µm) Peso retenido (g) 50 300 0,80 60 250 0,65 70 212 15,75 80 180 22,90 166 Tabla A.I.8. Datos experimentales obtenidos para la determinación de la distribución del tamaño de partícula de la muestras de polvo de acería (continuación …) Malla # Abertura del tamiz (µm) Peso retenido (g) 100 150 7,65 150 106 54,70 180 80 87,10 200 75 41,95 270 53 11,80 325 45 2,65 400 38 0,70 <400 19 1,70 Total 248,35 Aplicando las ecuaciones que se presentan a continuación, se determinan el porcentaje de material que se retiene cada una de las mallas, los porcentajes acumulados y, mediante interpolación, la abertura del tamiz (tamaño de partícula) para el cual el 80 % del sólido pasaría la malla correspondiente (଼݀ ). ܲ݁݀݅݊݁ݐ݁ݎݏ Ψܴ݁ݐ ൌ ൬ ൰ ൈ ͳͲͲΨ ்ܲ݁݀݅݊݁ݐ݁ݎݏ௧ [ A.I.7 ] Ψܴ݁݉ݑܿܽݐ ൌ Ψܴ݁݉ݑܿܽݐିଵ Ψܴ݁ݐ [ A.I.8 ] Ψܲܽ ݅݉ݑܿܽݏൌ ͳͲͲΨ െ Ψܴ݁݉ݑܿܽݐ [ A.I.9 ] Por ejemplo, introduciendo en las relaciones anteriores los datos correspondientes a las mallas #8 y #10 del ensayo desarrollado sobre el suelo agrícola, se tiene: ͵ǡͲͲ݃ ൰ ൈ ͳͲͲΨ ൌ ǡ ૡΨ Ψܴ݁ݐଵ ൌ ൬ ͵ͷͲǡͲͲ݃ Ψܴ݁ݐଶ ൌ ൬ ͳǡͶͲ݃ ൰ ൈ ͳͲͲΨ ൌ ǡ ૢΨ ͵ͷͲǡͲͲ݃ Ψܴ݁݉ݑܿܽݐଵ ൌ Ψܴ݁݉ݑܿܽݐ Ψܴ݁ݐଵ ൌ ͲΨ ͲǡͺΨ ՜ Ψࡾࢋ࢚ࢇࢉ࢛ ൌ ǡ ૡΨ Ψܲܽ݉ݑܿܽݏଵ ൌ ͳͲͲΨ െ Ψܴ݁ݐଵ ൌ ͳͲͲΨ െ ͲǡͺΨ ՜ Ψࡼࢇ࢙ࢇࢉ࢛ ൌ ૢૢǡ Ψ Ψܴ݁݉ݑܿܽݐଶ ൌ Ψܴ݁݉ݑܿܽݐଵ Ψܴ݁ݐଵ ൌ Ͳǡͺ ͶǡͻΨ ՜ Ψࡾࢋ࢚ࢇࢉ࢛ ൌ ǡ Ψ Ψܲܽ݉ݑܿܽݏଶ ൌ ͳͲͲΨ െ Ψܴ݁ݐଵ ൌ ͳͲͲ െ ͷǡͷͶ ՜ Ψࡼࢇ࢙ࢇࢉ࢛ ൌ ૢǡ Ψ 167 Aplicando las ecuaciones a los datos correspondientes al análisis granulométrico del suelo y del polvo de acería, se obtienen los siguientes resultados parciales: Tabla A.I.9. Resultados parciales obtenidos para la determinación de la distribución del tamaño de partícula de la muestras de suelo agrícola Abertura del tamiz (µm) % Retenido % Retenido acumulado % Pasado acumulado 2360 0,86 0,86 99,14 1700 4,69 5,54 94,46 850 7,66 13,20 86,80 600 5,20 18,40 81,60 425 3,77 22,17 77,83 300 12,00 34,17 65,83 250 2,80 36,97 63,03 212 3,51 40,49 59,51 180 1,63 42,11 57,89 150 3,03 45,14 54,86 106 5,86 51,00 49,00 75 6,11 57,11 42,89 53 2,69 59,80 40,20 45 4,94 64,74 35,26 38 6,74 71,49 28,51 19 28,51 100,00 0,00 %Pasado acumulado 100% 80% 60% 40% 20% 0% 10 100 d80 1000 10000 Tamaño de partícula (µm) Figura A.I.1. Distribución granulométrica del suelo agrícola 168 Tabla A.I.10. Resultados parciales obtenidos para la determinación de la distribución del tamaño de partícula de la muestras de polvo de acería Abertura del tamiz (µm) % Retenido % Retenido acumulado % Pasado acumulado 300 0,32 0,32 99,68 250 0,26 0,58 99,42 212 6,34 6,93 93,07 180 9,22 16,15 83,85 150 3,08 19,23 80,77 106 22,03 41,25 58,75 80 35,07 76,32 23,68 75 16,89 93,22 6,78 53 4,75 97,97 2,03 45 1,07 99,03 0,97 38 0,28 99,32 0,68 19 0,68 100,00 0,00 %Pasado acumulado 100% 80% 60% 40% 20% 0% 10 100 d80 1000 Tamaño de partícula (µm) Figura A.I.2. Distribución granulométrica del polvo de acería En conclusión, los tamaños de partícula de las muestras analizadas son: Tabla A.I.11. Tamaños de partícula de las muestras de suelo y polvo de acería Muestra Suelo agrícola Polvo de acería ࢊ (µm) ࢊૡ (µm) 112,29 524,42 94,02 145,46 169 8. DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE MATERIA ORGÁNICA En la Tabla A.I.12, que se muestra a continuación, se exponen los datos experimentales obtenidos para la determinación del contenido de materia orgánica de la muestras de suelo a partir de la aplicación del método indicado en el punto 2.2.8. Tabla A.I.12. Datos experimentales obtenidos para la determinación del contenido de materia orgánica de la muestras de suelo agrícola Ensayo No. Volumen gastado de titulante (mL) 1 5,2 2 4,9 3 5,3 Dado que la determinación del contenido de materia orgánica (% )ܱܯse basa en la oxidación del carbono orgánico con oxidantes fuertes en medio ácido, esta propiedad se calcula aplicando la siguiente ecuación: Ψ ܱܯൌ ൫ܸమ మ ைళ ή ܰమ మ ைళ െ ܸௌெ ή ܰௌெ ൯ ή Ͳǡ͵ͻ ή ͳǡʹͶ ൈ ͳͲͲΨ ݉ௌ௨௦ ή ͳͲͲ [ A.I.10 ] Donde ܸమ మ ைళ es el volumen y ܰమ మ ைళ la normalidad de la solución de dicromato de potasio empelada en la preparación de la muestra, ܸௌெ es el volumen gastado y ܰௌெ la normalidad de la solución usada para la titulación y ݉ௌ௨௦ es la masa de suelo seco en gramos. Consiguientemente, con base en los resultados obtenidos y presentados en la Tabla A.I.12, el contenido de materia orgánica de la muestra de suelo analizada en el ensayo No. 1 es: Ψ ܱܯൌ ሺͳͲ݉ ܮή ͳܰ െ ͷǡʹ݉ ܮή Ͳǡͷܰሻ ή Ͳǡ͵ͻ ή ͳǡʹͶ ൫Ͳǡͷ݃ ή ሺͳ െ ͲǡͲͺͳͶሻ൯ ή ͳͲͲ ൈ ͳͲͲΨ ՜ Ψࡹࡻ ൌ ǡ ૡΨ Aplicando el mismo tratamiento a todos los datos de la Tabla A.I.12, se estima que el contenido de materia orgánica de las muestras de suelo agrícola es: Ψࡹࡻ ൌ ǡ ૡૡ േ ǡ Ψ DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO TOTAL DE ELEMENTOS QUÍMICOS POR ABSORCIÓN ATÓMICA No. 1 No. 2 No. 3 Muestra inicial No. 1 No. 2 Columna 1 No. 3 No. 1 No. 2 Columna 2 No. 3 No. 1 No. 2 Columna 3 No. 3 No. 1 No. 2 Columna 4 No. 3 0,50 0,42 Pb Zn 1,12 0,80 0,35 0,60 0,29 0,38 50,83 1,02 0,67 50,84 0,25 0,41 51,09 0,41 0,33 51,86 1,11 0,63 51,43 53,65 0,29 0,43 51,90 53,62 0,33 0,36 51,01 53,98 0,03 1,03 0,63 51,88 53,10 0,09 0,26 0,42 51,67 53,48 0,10 0,29 0,37 0,36 47,88 54,48 0,05 0,14 1,08 0,62 49,69 53,72 0,15 0,11 0,31 0,51 48,65 54,29 0,07 0,12 887,00 862,00 884,45 801,10 873,70 877,98 883,80 870,18 850,20 565,54 790,09 804,42 844,18 885,67 848,57 51,34 54,60 0,06 0,30 Na 51,80 53,78 0,13 0,26 50,90 52,48 0,08 0,26 Mg 52,08 0,07 0,26 263,00 191,00 208,31 232,18 235,32 184,17 219,73 238,83 203,85 180,00 226,30 257,93 229,63 183,19 248,62 53,76 0,09 0,21 K 54,00 0,05 0,16 53,00 0,15 0,10 Fe 0,19 0,11 0,13 0,18 Cu 0,18 0,18 266,00 296,00 294,64 274,23 261,31 283,61 260,09 260,80 293,84 281,77 281,13 238,33 266,80 293,37 284,25 Ca Cr 129,20 120,20 125,99 126,51 125,62 122,00 121,50 129,64 121,02 121,28 126,22 124,39 125,62 121,95 126,82 Al Masa de la muestra (g) 0,2016 0,2004 0,2005 0,2007 0,2039 0,2046 0,2028 0,2036 0,2050 0,2004 0,2003 0,2040 0,2022 0,2020 0,2048 Elemento Concentración (mg/L) Tabla A.I.13. Datos experimentales obtenidos para la determinación del contenido total de Al, Ca, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Na, Pb y Zn en el suelo agrícola al inicio y final del ensayo de los elementos señalados a partir de la aplicación del método presentado en el punto 2.2.9 al inicio y final de los ensayos. En las tablas siguientes se exponen los datos experimentales obtenidos para el cálculo del contenido total en el suelo agrícola 9. 170 171 Residuo insoluble Solución de lavado Solución fuerte No. 2 No. 3 No. 1 No. 2 Columna 2 No. 3 No. 1 No. 2 Columna 3 No. 3 No. 1 No. 2 Columna 4 No. 3 No. 1 No. 2 Columna 5 No. 3 0,09 0,29 0,01 6,75 0,11 8,08 0,33 8,43 0,01 9,26 22,00 Zn 75,00 Fe 0,06 1,60 Cd Pb 689,00 32,00 Zn 17,00 0,07 7,97 1,00 0,51 Pb 0,01 0,90 3,67 0,38 2,09 1,10 1,87 2,38 13,39 1,07 0,96 2,21 1,40 2,38 13,00 0,01 5,69 2,90 55,00 0,02 0,17 0,08 0,41 0,09 0,10 0,35 15,24 0,03 48,29 1,10 16,99 0,05 7,50 0,59 19,96 0,17 5,27 1,59 22,34 0,05 55,17 1,44 19,75 0,08 7,51 0,56 14,92 0,16 5,27 2,92 22,56 0,07 69,67 1,98 62,36 363,97 109,10 313,45 179,42 166,07 63,81 0,42 0,12 0,44 0,12 0,10 22,49 0,04 7,50 0,08 16,71 0,08 5,20 2,99 17,89 0,10 25,99 2,09 22,74 0,02 7,89 0,85 22,22 0,13 5,54 1,95 84,76 662,41 306,09 276,80 188,89 0,11 24,55 221,60 153,66 59,38 423,78 48,16 134,78 161,75 214,00 184,81 176,72 357,52 71,82 1,80 478,00 14,43 0,00 15,52 Fe 0,33 8,86 36,80 0,14 6,14 Cd 0,05 14,63 385,00 515,00 239,00 490,78 488,72 331,78 300,58 511,55 310,00 407,39 311,00 329,01 490,40 367,30 270,15 0,28 10,29 Zn 0,09 11,56 0,25 0,12 10,42 Pb 0,44 7,22 91,00 344,00 133,00 190,57 93,72 111,41 116,87 241,52 98,54 265,11 99,41 124,10 143,25 120,17 246,54 10,90 Fe 26,60 12,50 0,4002 0,4003 0,4013 0,4031 0,4036 0,4043 0,4017 0,4003 0,4015 0,4050 0,4034 0,4002 0,4020 0,4023 0,4040 No. 1 Muestra inicial Concentración (mg/L) Cd Masa de la muestra (g) Muestra Tabla A.I.14. Datos experimentales obtenidos para la determinación del contenido total de Cd, Fe, Pb y Zn en el polvo de acería al inicio y final del ensayo ción, al inicio y fin del ensayo, del procedimiento indicado en el punto 2.2.9.3 sobre la muestra de polvo de acería. de Cd, Fe, Pb y Zn en la solución fuerte, la solución de lavado y la solución del residuo insoluble, obtenidas a partir de la aplica- A continuación se presentan los datos experimentales obtenidos para la determinación por absorción atómica del contenido total Elemento 172 Aplicando la ecuación que se presenta a continuación, se determina la concentración de los elementos químicos indicados en las muestras correspondientes. ሾ݈ܧሿ் ൌ σሾ݈ܧሿ ൈ ܸ ݉ெ௨௦௧ [ A.I.11 ] Donde ሾ݈ܧሿ ் es la concentración total del elemento en la muestra, ݉ெ௨௦௧ es la masa de la muestra empleada para el análisis, ሾ݈ܧሿ es la concentración del ele- mento en la solución analizada y ܸ es el volumen (de aforo) de dicha solución. Por lo tanto, introduciendo los datos correspondientes al hierro (Fe) en la prueba No. 1 desarrollada sobre el suelo agrícola al inicio del ensayo, se obtiene: ሾ݁ܨሿ் ௌ௨ ݉݃ ͳܮ ͷ͵ǡͲͲ ܮൈ ͳͲͲ݉ ܮൈ ͳͲͲͲ݉ܮ ൌ ՜ ሾࡲࢋሿࢀ ࡿ࢛ࢋ ൌ ૡૢǡ ૡ ͳ݇݃ ͲǡʹͲͳ݃ ൈ ͳͲͲͲ݃ ሾ݁ܨሿ் ௌ௨ ൌ ʹʹͺͻǡͺ ͳ݇݃ ݉݃ ൈ ՜ ሾࡲࢋሿࢀ ࡿ࢛ࢋ ൌ ǡ ൌ ǡ Ψ ݇݃ ͳͲ ݉݃ Aplicando esta secuencia de cálculo a los datos experimentales presentados anteriormente para el suelo agrícola, se obtienen los siguientes resultados: Tabla A.I.15. Composición elemental del suelo agrícola al inicio del ensayo Elemento Composición (mg/kg) Composición (%) No. 1 No. 2 No. 3 Promedio No. 1 No. 2 No. 3 Promedio Al 64 087,30 59 980,04 62 837,91 6,28 6,23 Ca 131 944,44 147 704,59 146 952,62 142 200,55 13,19 14,77 14,70 14,22 62 301,75 6,41 6,00 Cr 89,29 89,82 89,78 89,63 0,01 0,01 0,01 0,01 Cu 64,48 94,81 74,81 78,04 0,01 0,01 0,01 0,01 Fe 26 289,68 26 946,11 26 812,97 26 682,92 2,63 2,69 2,68 2,67 K 130 456,35 95 309,38 103 895,26 109 887,00 13,05 9,53 10,39 10,99 Mg 25 248,02 2,56 2,56 Na 439 980,16 430 139,72 441 122,19 437 080,69 44,00 43,01 44,11 43,71 25 848,30 25 605,99 25 567,43 2,52 2,58 Pb 248,02 399,20 299,25 315,49 0,02 0,04 0,03 0,03 Zn 208,33 558,88 174,56 313,93 0,02 0,06 0,02 0,03 173 Tabla A.I.16. Composición elemental del suelo agrícola en la unidad experimental 1 (suelo agrícola) al final del ensayo Elemento Composición (mg/kg) Composición (%) No. 1 No. 2 No. 3 Promedio No. 1 No. 2 No. 3 Promedio Al 63 034,38 61 608,63 59 628,54 614 23,85 6,30 5,96 6,14 Ca 136 636,77 128 155,96 138 616,81 134 469,85 13,66 12,82 13,86 13,45 6,16 Cr 54,81 49,04 78,20 60,68 0,01 0,00 0,01 0,01 Cu 24,91 44,14 34,21 34,42 0,00 0,00 0,00 0,00 Fe 25 949,18 25 738,11 26 285,43 25 990,91 2,59 2,57 2,63 2,60 K 115 685,10 115 409,51 90 014,66 107 036,43 11,57 11,54 9,00 10,70 Mg 25 326,36 24 970,67 25 076,94 2,50 2,51 Na 399 152,96 428 494,36 429 120,23 418 922,52 39,92 42,85 42,91 41,89 24 933,79 2,53 2,49 Pb 189,34 328,59 200,39 239,44 0,02 0,03 0,02 0,02 Zn 144,49 500,25 122,19 255,64 0,01 0,05 0,01 0,03 Tabla A.I.17. Composición elemental del suelo agrícola en la unidad experimental 2 (suelo agrícola + polvo de acería) al final del ensayo Elemento Composición (mg/kg) Composición (%) No. 1 No. 2 No. 3 Promedio* No. 1 No. 2 No. 3 Promedio* Al 59 911,24 63 673,87 59 034,15 5,90 6,09 Ca 128 249,51 128 094,30 143 336,59 133 226,80 12,82 12,81 14,33 13,32 60 873,09 5,99 6,37 Cr 103,55 127,70 126,83 119,36 0,01 0,01 0,01 0,01 Cu 39,45 63,85 29,27 44,19 0,00 0,01 0,00 0,00 Fe 26 923,08 26 350,69 26 156,10 26 476,62 2,69 2,64 2,62 2,65 K 108 348,13 117 303,54 99 439,02 108 363,56 10,83 11,73 9,94 10,84 Mg 25 571,99 25 317,07 25 383,13 2,53 2,54 Na 435 798,82 427 396,86 414 731,71 425 975,79 43,58 42,74 41,47 42,60 25 260,31 2,56 2,53 Pb 162,72 309,43 209,76 227,30 0,02 0,03 0,02 0,02 Zn 202,17 545,19 141,46 296,27 0,02 0,05 0,01 0,03 174 Tabla A.I.18. Composición elemental del suelo agrícola en la unidad experimental 3 (suelo agrícola + polvo de acería) al final del ensayo Elemento Composición (mg/kg) Composición (%) No. 1 No. 2 No. 3 Promedio No. 1 No. 2 No. 3 Promedio Al 60 518,96 63 015,48 60 975,49 61 503,31 6,05 6,10 6,15 Ca 140 603,79 140 354,47 116 828,43 132 595,56 14,06 14,04 11,68 13,26 6,30 Cr 129,74 149,78 142,16 140,56 0,01 0,01 0,01 0,01 Cu 14,97 44,93 49,02 36,31 0,00 0,00 0,00 0,00 Fe 26 936,13 26 510,23 26 215,69 26 554,02 2,69 2,65 2,62 2,66 K 89 820,36 112 980,53 126 436,27 109 745,72 8,98 11,30 12,64 10,97 Mg 25 454,09 25 328,43 25 561,22 2,55 2,53 2,56 Na 282 205,59 394 453,32 394 323,53 356 994,15 28,22 39,45 39,43 35,70 25 901,15 2,59 Pb 179,64 314,53 205,88 233,35 0,02 0,03 0,02 0,02 Zn 164,67 514,23 127,45 268,78 0,02 0,05 0,01 0,03 Tabla A.I.19. Composición elemental del suelo agrícola en la unidad experimental 4 (suelo agrícola + polvo de acería) al final del ensayo Elemento Composición (mg/kg) Composición (%) No. 1 No. 2 No. 3 Promedio No. 1 No. 2 No. 3 Promedio Al 62 126,61 60 371,29 61 923,83 614 73,91 6,21 6,19 6,15 Ca 131 948,57 145 232,67 138 793,95 138 658,39 13,19 14,52 13,88 13,87 6,04 Cr 69,24 54,46 58,59 60,76 0,01 0,01 0,01 0,01 Cu 24,73 74,26 34,18 44,39 0,00 0,01 0,00 0,00 Fe 26 943,62 26 594,06 26 508,79 26 682,16 2,69 2,66 2,65 2,67 K 113 565,78 90 688,12 121 396,48 108 550,13 11,36 9,07 12,14 10,86 Mg 23 679,53 24 599,01 23 754,88 2,46 2,38 2,40 Na 417 497,53 438 450,50 414 340,82 423 429,61 41,75 43,85 41,43 42,34 24 011,14 2,37 Pb 178,04 306,93 249,02 244,67 0,02 0,03 0,02 0,02 Zn 182,99 534,65 151,37 289,67 0,02 0,05 0,02 0,03 En cuanto al polvo de acería, tomando igualmente para el ejemplo de cálculo los datos respectivos al hierro (Fe) en la prueba No. 1 al inicio del ensayo, se tiene que la concentración de este metal en la muestra es: 175 ሾ݁ܨሿ ் ௩ ൌ ቀͻͳǡͲͲ ݉݃ ݉݃ ݉݃ ͳܮ ൈ ͳͲͲ݉ ܮ ͶͺǡͲͲ ൈ ͳͲͲ݉ ܮ ͷǡͲͲ ൈ ͳͲͲ݉ܮቁ ൈ ܮ ͳͲͲͲ݉ܮ ܮ ܮ ͳ݇݃ ͲǡͶͲͲʹ݃ ൈ ͳͲͲͲ݃ ሾࡲࢋሿࢀ ࡼ࢜ ൌ ૢૢǡ ሾ݁ܨሿ் ௩ ൌ ͳͲͻͳͻǡͷͶ ͳ݇݃ ݉݃ ൈ ݇݃ ͳͲ ݉݃ ሾࡲࢋሿࢀ ࡼ࢜ ൌ ǡ ૢ ൌ ǡ ૢΨ Procedimiento del mismo modo con los datos experimentales presentados para el polvo de acería en la Tabla A.I.14, se obtienen los siguientes resultados: Tabla A.I.20. Composición elemental del polvo de acería al inicio del ensayo Elemento Composición (mg/kg) Composición (%) No. 1 No. 2 No. 3 Promedio No. 1 No. 2 No. 3 Promedio Cd 12 718,64 7 119,66 3 887,37 7 908,56 1,27 0,71 0,39 0,79 Fe 160 919,54 91 531,35 40 677,80 97 709,56 16,09 9,15 4,07 9,77 0,02 0,00 0,01 27,39 14,09 7,65 16,38 Pb Zn 204,90 129,90 37,38 273 863,07 140 894,33 76 501,37 124,06 163 752,92 0,01 Tabla A.I.21. Composición elemental del polvo de acería en la unidad experimental 2 (suelo agrícola + polvo de acería) al final del ensayo Elemento Composición (mg/kg) Composición (%) No. 1 No. 2 No. 3 Promedio No. 1 No. 2 No. 3 Promedio Cd 2 974,45 2 822,10 3 769,48 3 188,68 0,30 0,28 0,38 0,32 Fe 114 229,72 63 151,64 43 546,87 73 642,74 11,42 6,32 4,35 7,36 Pb 133,96 123,89 74,20 110,68 0,01 0,01 0,01 0,01 141 002,23 215 480,67 113 984,66 156 822,52 14,10 21,55 11,40 15,68 Zn 176 Tabla A.I.22. Composición elemental del polvo de acería en la unidad experimental 3 (suelo agrícola + polvo de acería) al final del ensayo Elemento Cd Fe Pb Zn Composición (mg/kg) Composición (%) No. 1 No. 2 No. 3 Promedio No. 1 No. 2 No. 3 Promedio 3 182,83 4 226,96 2 829,58 3 413,12 0,32 0,42 0,28 0,34 147 809,48 73 634,79 59 013,11 93 485,79 14,78 7,36 5,90 9,35 64,31 112,35 0,01 0,01 0,01 15,79 17,61 12,14 15,18 148,85 123,89 157 869,02 176 095,14 121 442,00 151 802,05 0,01 Tabla A.I.23. Composición elemental del polvo de acería en la unidad experimental 4 (suelo agrícola + polvo de acería) al final del ensayo Elemento Composición (mg/kg) Composición (%) No. 1 No. 2 No. 3 Promedio No. 1 No. 2 No. 3 Promedio Cd 6 010,92 4 130,33 2 646,55 4 262,60 0,60 0,41 0,26 0,43 Fe 123 177,87 79 511,89 77 692,31 93 460,69 12,32 7,95 7,77 9,35 Pb 126,52 109,02 51,94 95,83 0,01 0,01 0,01 0,01 122 490,70 103 629,83 249 351,97 158 490,83 12,25 10,36 24,94 15,85 Zn Tabla A.I.24. Composición elemental del polvo de acería en la unidad experimental 5 (polvo de acería) al final del ensayo Elemento Composición (mg/kg) Composición (%) No. 1 No. 2 No. 3 Promedio No. 1 No. 2 No. 3 Promedio Cd 3 071,20 2 646,18 3 361,37 3 026,25 0,31 0,26 0,34 0,30 Fe 85 824,86 120 312,19 80 113,78 95 416,94 8,58 12,03 8,01 9,54 Pb 161,25 116,45 59,36 112,35 0,02 0,01 0,01 0,01 202 029,27 165 222,99 119 035,37 162 095,88 20,20 16,52 11,90 16,21 Zn 177 ANEXO II CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS PARA LOS ENSAYOS EN COLUMNA A continuación se detalla el cálculo de los parámetros con los que se va a trabajar para el desarrollo de los ensayos en columna. 1. DETERMINACIÓN DE LA MASA DE SUELO Zapata (2002) encontró que es posible obtener entre el 25 y 75 % de la humedad del suelo como solución y que puede ser desplazada entre 8 y 10 h. Entonces sugiere que, conociendo el volumen de solución del suelo necesario para su análisis, se calcula la masa del suelo y la densidad del empaquetamiento, seleccionando de este modo el tamaño adecuado de la columna. (p. 2) Asumiendo que el 25 % de la humedad del suelo se recupera como solución (enfoque pesimista) y que ésta es desplazada en 9 h (valor promedio), y conociendo que la humedad promedio del suelo es 8,14 %, la masa de suelo a ensayarse es: ݉ௌ௨ ൌ ͳͲͲ݉ܽݑ݃ܽܮ ͳ݃ܽ݃ܽݑ ͳͲͲ݈݃݁ݑݏ ͶͲͲ݉݊×݅ܿݑ݈ݏܮ ൈ ͻ݄ ൈ ൈ ൈ ʹͶ݄ ʹͷ݉ ܽݑ݃ܽܮ݉ͳ ݊×݅ܿݑ݈ݏܮͺǡͳͶ݃ܽ݃ܽݑ ͵݀Àܽ ݏൈ ͳ݀Àܽ ࡿ࢛ࢋ ൌ ૠǡ ࢍ Empleando el valor promedio de la densidad real del suelo (1,77 g/mL), se obtiene que el volumen que le corresponde a la masa de suelo calculada es: ܸௌ௨ ൌ ʹͶͷǡͶͲ݃ ൈ ͳ݉ܮ ՜ ࢂࡿ࢛ࢋ ൌ ૡૠǡ ૠࡸ ͳǡ݃ Dado que se dispone de columnas de vidrio de 6 cm de vidrio, la altura de la capa de suelo en la columna debe ser: 178 ߨ Ͷήܸ ܸ ൌ ܣ௦ ൈ ݄ ൌ ቀ ή ଶ ቁ ൈ ݄ ՜ ݄ ൌ Ͷ ߨ ή ଶ [ A.II.1 ] Donde es el diámetro del lisímetro y h es la altura de la columna de suelo para lograr un adecuado empaquetamiento del mismo en el sistema. ݄ௌ௨ ൌ 2. Ͷ ή ሺͳ͵ͺǡ͵ܿ݉ଷ ሻ ՜ ࢎࡿ࢛ࢋ ൌ ૢǡ ૡࢉ ൎ ࢉ ߨ ή ሺܿ݉ሻଶ DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE AGUA EQUIVALENTE A LA PRECIPITACIÓN MEDIA ANUAL DE LATACUNGA La ecuación que permite calcular el caudal de agua equivalente a la tasa de precipitación media de la ciudad de Latacunga es: ݄ ܳ ܳ ߨ ݄ ൌ ൌߨ ՜ ܳ ൌ ൈ ଶ ൈ ݐ ܣ௦ Ͷ ݐ ή ଶ Ͷ [ A.II.2 ] Donde ܳ es el caudal de agua a dosificarse en las columnas, es el diámetro de las columnas y ݄ Ȁ ݐes la tasa de precipitación deseada en el sistema. La precipitación media anual de Latacunga, de acuerdo a los datos reportados por el Instituto Geográfico Militar (2006) para el año 2006, es 455,8 mm. (p. 4) Esto implica que el caudal necesario para simular en las columnas las condiciones de campo a las que estarías expuestas las muestras de suelo recogidas es: ߨ ݉݉ ͳܿ݉ ͳܽÓ ͳ݀Àܽ ࢉ ଶ ܳ ൌ ൈ ሺܿ݉ሻ ൈ ൬Ͷͷͷǡͺ ൈ ൈ ൈ ൰ ՜ ࡽ ൌ ǡ Ͷ ࢎ ܽÓ͵ ݉݉Ͳͳ ͷ݀Àܽʹ ݏͶ݄ 179 ANEXO III LÍMITES MÁXIMOS PERMISIBLES NORMADOS En la Tabla A.III.1 se exponen a continuación las concentraciones máximas permisibles para la descarga o vertido de efluentes a cuerpos de agua dulce según el Texto Unificado de Legislación Ambiental Secundaria (TULAS), Libro VI, Anexo 1, titulado “Norma de calidad ambiental y de descarga de efluentes: Recurso Agua”. Tabla A.III.1. Límites máximos permisibles para la descarga a cuerpos de agua dulce según la normativa TULAS, Libro VI, Anexo 1 Parámetro Expresado como Límite máximo permisible (mg/L)* Aluminio Al 5,0 Arsénico As 0,1 Bario Ba 2,0 Cadmio Cd 0,02 Cobalto Co 0,5 Cobre Cu 1,0 Cromo Cr 0,5 Hierro Fe 10,0 Mercurio Hg 0,005 Níquel Ni 2,0 Plata Ag 0,1 Plomo Pb 0,2 Selenio Se 0,1 Vanadio V 5,0 Zinc Zn 5,0 * (Ministerio del Ambiente de Ecuador, 2003, pp. 331-333) A continuación se presenta la Tabla A.III.2, en la que se muestran los límites máximos permisibles para el extracto lixiviado obtenido con la aplicación de la metodología EPA 1311 sobre materiales sólidos. 180 Tabla A.III.2. Límites de toxicidad de metales lixiviados según la metodología EPA 1311 Parámetro Expresado como Límite máximo permisible (mg/L)* Arsénico As 5,0 Bario Ba 100,0 Cadmio Cd 1,0 Cromo Cr 5,0 Hierro Fe 30,0 Mercurio Hg 0,2 Níquel Ni 2,0 Plata Ag 5,0 Plomo Pb 5,0 Selenio Se 1,0 * (Environmental Protection Agency, 2003, pp. 25-28) 181 ANEXO IV CÁLCULO DE LAS PROPIEDADES DE LOS LIXIVIADOS Y TABLAS DE RESULTADOS PARCIALES A continuación se detalla el cálculo de las propiedades químicas de los lixiviados obtenidos como resultado de los ensayos en columna, las cuales se estiman a partir de los datos obtenidos durante el desarrollo de la metodología experimental indicada en apartado 2.3.2, titulado “Caracterización química de los lixiviados”. 1. DETERMINACIÓN DEL CAUDAL A continuación se presenta la Tabla A.IV.1, en la que se muestran los resultados obtenidos para la determinación del caudal de los lixiviados. Tabla A.IV.1. Resultados obtenidos para la determinación del caudal de los lixiviados Unidad experimental Columna 1 (Suelo agrícola) Columna 2 (Suelo + polvo de acería) Columna 3 (Suelo + polvo de acería) Columna 4 (Suelo + polvo de acería) Columna 5 (Polvo de acería) Ensayo No. Volumen (mL) Tiempo (h) 1 2,5 24 2 2,7 24 3 2,5 24 1 2,1 24 2 2,2 24 3 2,2 24 1 2,1 24 2 1,9 24 3 2,0 24 1 2,2 24 2 2,2 24 3 2,1 24 1 1,7 24 2 1,8 24 3 1,8 24 182 Como se indica a continuación en la ecuación [ A.IV.1 ], el caudal se determina relacionando el volumen de lixiviado (ܸ) recogido en el tiempo especificado ()ݐ. ܳൌ ܸ ݐ [ A.IV.1 ] Para ejemplarizar este cálculo se van a utilizar los datos correspondientes al ensayo No. 1 de la columna 1. Por lo tanto, el caudal del lixiviado en este caso es: ܳଵ ൌ ʹǡͷ݉ܮ ࡸ ՜ ࡽ ൌ ǡ ʹͶ݄ ࢎ Procedimiento del mismo modo con los datos experimentales presentados en la Tabla A.IV.1, se determinan los siguientes resultados: Tabla A.IV.2. Caudal de los lixiviados obtenidos en cada unidad experimental Unidad experimental Columna 1 (Suelo agrícola) Columna 2 (Suelo + polvo de acería) Columna 3 (Suelo + polvo de acería) Columna 4 (Suelo + polvo de acería) Columna 5 (Polvo de acería) * ݔҧ ± σ (n = 3) Ensayo No. Caudal (mL/h) Caudal promedio (mL/h)* 1 0,10 2 0,11 3 0,10 1 0,09 2 0,09 3 0,09 1 0,09 2 0,08 3 0,08 1 0,09 2 0,09 3 0,09 1 0,07 2 0,08 3 0,08 0,11 ± 0,00 0,09 ± 0,00 0,08 ± 0,00 0,09 ± 0,00 0,07 ± 0,00 183 2. DETERMINACIÓN DEL pH A continuación se exponen los resultados obtenidos para el pH de los lixiviados resultantes del proceso en columna en cada unidad experimental. Tabla A.IV.3. pH a temperatura ambiente de los lixiviados producidos en la unidad experimental 1 (suelo agrícola) Tiempo de ensayo (días) pH No. 1 pH No. 2 pH No. 3 pH Promedio* 13 6,63 6,99 7,10 6,91 ± 0,25 14 7,88 7,97 8,09 7,98 ± 0,11 16 7,78 8,82 8,94 8,51 ± 0,64 19 7,53 8,09 7,71 7,78 ± 0,29 21 8,16 8,16 8,74 8,35 ± 0,33 23 7,65 8,52 8,52 8,23 ± 0,50 26 8,22 8,68 8,63 8,51 ± 0,25 28 8,60 8,17 8,12 8,30 ± 0,26 30 8,46 8,51 8,55 8,51 ± 0,05 33 8,41 8,34 8,48 8,41 ± 0,07 35 8,36 8,00 8,13 8,16 ± 0,18 37 8,38 8,25 8,30 8,31 ± 0,07 42 8,22 8,25 8,24 8,24 ± 0,02 44 7,60 8,00 7,91 7,84 ± 0,21 47 7,97 8,27 8,54 8,26 ± 0,29 49 8,15 8,27 8,27 8,23 ± 0,07 51 7,59 7,90 8,48 7,99 ± 0,45 54 7,80 8,11 8,39 8,10 ± 0,30 61 7,08 7,69 8,00 7,59 ± 0,47 68 7,73 8,29 8,45 8,16 ± 0,38 75 7,62 8,19 8,48 8,10 ± 0,44 82 7,04 8,26 8,44 7,91 ± 0,76 89 7,62 7,78 8,02 7,81 ± 0,20 * ݔҧ ± σ (n = 3) 184 Tabla A.IV.4. pH a temperatura ambiente de los lixiviados producidos en la unidad experimental 2 (suelo agrícola + polvo de acería) Tiempo de ensayo (días) pH No. 1 pH No. 2 pH No. 3 pH Promedio* 13 9,14 9,41 9,54 9,36 ± 0,20 14 8,47 8,38 8,23 8,36 ± 0,12 16 9,77 10,53 10,37 10,22 ± 0,40 19 8,73 8,61 8,55 8,63 ± 0,09 21 9,20 9,46 9,47 9,38 ± 0,15 23 9,00 9,87 9,69 9,52 ± 0,46 26 9,40 9,57 9,78 9,58 ± 0,19 28 8,68 8,40 8,32 8,47 ± 0,19 30 8,54 8,54 8,52 8,53 ± 0,01 33 9,18 9,56 9,30 9,35 ± 0,19 35 8,79 8,39 8,76 8,65 ± 0,22 37 8,08 8,12 8,10 8,10 ± 0,02 42 8,46 8,49 8,42 8,46 ± 0,04 44 7,58 7,91 7,87 7,79 ± 0,18 47 7,98 8,17 8,32 8,16 ± 0,17 49 7,73 7,95 7,99 7,89 ± 0,14 51 7,77 7,97 8,46 8,07 ± 0,36 54 7,83 8,08 8,13 8,01 ± 0,16 61 7,10 7,63 7,83 7,52 ± 0,38 68 7,82 8,11 8,22 8,05 ± 0,21 75 7,95 8,42 8,70 8,36 ± 0,38 82 7,83 8,32 8,65 8,27 ± 0,41 89 7,41 7,55 7,63 7,53 ± 0,11 * ݔҧ ± σ (n = 3) Tabla A.IV.5. pH a temperatura ambiente de los lixiviados producidos en la unidad experimental 3 (suelo agrícola + polvo de acería) Tiempo de ensayo (días) pH No. 1 pH No. 2 pH No. 3 pH Promedio* 13 8,59 8,53 8,58 8,57 ± 0,03 14 9,28 9,32 9,59 9,40 ± 0,17 16 9,57 9,87 9,79 9,74 ± 0,16 185 Tabla A.IV.5. pH a temperatura ambiente de los lixiviados producidos en la unidad experimental 3 (suelo agrícola + polvo de acería) (continuación …) Tiempo de ensayo (días) pH No. 1 pH No. 2 pH No. 3 pH Promedio* 19 8,80 9,33 9,01 9,05 ± 0,27 21 9,30 9,70 9,63 9,54 ± 0,21 23 7,95 8,58 8,55 8,36 ± 0,36 26 9,35 9,43 9,43 9,40 ± 0,05 28 8,75 8,49 8,46 8,57 ± 0,16 30 9,06 9,12 9,16 9,11 ± 0,05 33 8,82 8,98 8,93 8,91 ± 0,08 35 7,85 8,21 8,55 8,20 ± 0,35 37 8,16 8,14 8,12 8,14 ± 0,02 42 7,93 8,15 8,26 8,11 ± 0,17 44 7,39 7,72 7,66 7,59 ± 0,18 47 7,95 8,05 8,15 8,05 ± 0,10 49 7,82 7,93 8,02 7,92 ± 0,10 51 7,81 8,40 8,58 8,26 ± 0,40 54 7,69 7,91 8,00 7,87 ± 0,16 61 7,24 7,62 7,72 7,53 ± 0,25 68 7,83 8,06 8,10 8,00 ± 0,15 75 7,93 8,29 8,56 8,26 ± 0,32 82 7,96 8,57 8,82 8,45 ± 0,44 89 7,39 7,54 7,60 7,51 ± 0,11 * ݔҧ ± σ (n = 3) Tabla A.IV.6. pH a temperatura ambiente de los lixiviados producidos en la unidad experimental 4 (suelo agrícola + polvo de acería) Tiempo de ensayo (días) pH No. 1 pH No. 2 pH No. 3 pH Promedio* 13 8,52 8,51 8,32 8,45 ± 0,11 14 9,57 9,52 9,51 9,53 ± 0,03 16 9,18 9,32 9,48 9,33 ± 0,15 19 8,41 9,01 8,53 8,65 ± 0,32 21 9,03 9,00 8,99 9,01 ± 0,02 23 7,78 8,59 8,66 8,34 ± 0,49 186 Tabla A.IV.6. pH a temperatura ambiente de los lixiviados producidos en la unidad experimental 4 (suelo agrícola + polvo de acería) (continuación …) Tiempo de ensayo (días) pH No. 1 pH No. 2 pH No. 3 pH Promedio* 26 8,64 9,11 9,14 8,96 ± 0,28 28 8,35 8,13 8,15 8,21 ± 0,12 30 8,43 8,81 8,72 8,65 ± 0,20 33 8,57 8,75 8,67 8,66 ± 0,09 35 8,49 8,62 8,68 8,60 ± 0,10 37 8,21 8,27 8,21 8,23 ± 0,03 42 8,11 8,27 8,29 8,22 ± 0,10 44 8,22 7,98 8,09 8,10 ± 0,12 47 7,82 8,29 8,66 8,26 ± 0,42 49 8,27 8,30 8,32 8,30 ± 0,03 51 7,54 7,71 8,33 7,86 ± 0,42 54 7,56 7,73 7,88 7,72 ± 0,16 61 7,55 7,69 7,82 7,69 ± 0,14 68 8,09 8,03 8,10 8,07 ± 0,04 75 7,86 8,21 8,34 8,14 ± 0,25 82 8,14 8,41 8,63 8,39 ± 0,25 89 7,40 7,48 7,56 7,48 ± 0,08 * ݔҧ ± σ (n = 3) Tabla A.IV.7. pH a temperatura ambiente de los lixiviados producidos en la unidad experimental 5 (polvo de acería) Tiempo de ensayo (días) pH No. 1 pH No. 2 pH No. 3 pH Promedio* 13 8,07 7,65 7,85 7,86 ± 0,21 14 8,67 8,33 8,24 8,41 ± 0,23 16 8,99 9,01 8,84 8,95 ± 0,09 19 8,92 8,71 8,18 8,60 ± 0,38 21 8,75 8,87 8,83 8,82 ± 0,06 23 8,26 8,37 8,10 8,24 ± 0,14 26 8,12 8,17 8,14 8,14 ± 0,03 28 7,80 7,74 7,78 7,77 ± 0,03 30 8,52 8,55 8,51 8,53 ± 0,02 187 Tabla A.IV.7. pH a temperatura ambiente de los lixiviados producidos en la unidad experimental 5 (polvo de acería) (continuación …) Tiempo de ensayo (días) pH No. 1 pH No. 2 pH No. 3 pH Promedio* 33 8,52 8,30 8,17 8,33 ± 0,18 35 7,91 8,08 8,53 8,17 ± 0,32 37 7,96 8,00 8,04 8,00 ± 0,04 42 7,95 8,03 8,12 8,03 ± 0,09 44 8,05 7,99 7,89 7,98 ± 0,08 47 7,75 8,28 8,00 8,01 ± 0,27 49 7,94 8,16 8,25 8,12 ± 0,16 51 7,21 7,49 8,34 7,68 ± 0,59 54 7,61 7,79 7,92 7,77 ± 0,16 61 7,59 7,89 8,00 7,83 ± 0,21 68 8,00 8,28 8,32 8,20 ± 0,17 75 8,07 8,32 8,57 8,32 ± 0,25 82 8,35 8,42 8,78 8,52 ± 0,23 89 7,59 7,62 7,76 7,66 ± 0,09 * ݔҧ ± σ (n = 3) 3. DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE CARBÓN ORGÁNICO TOTAL En las tablas que se presentan a continuación se exponen los resultados obtenidos para el contenido de carbón total y carbón inorgánico de los lixiviados resultantes de los ensayos en columna luego de la aplicación del método detallado en el punto 2.3.2.3. Además se presenta el contenido de carbón orgánico, el cual resulta de la diferencia entre el contenido de carbón total y el contenido de carbón inorgánico, como se indica en la ecuación [ A.IV.2 ]. ܱ ܥൌ ܶ ܥെ ܥܫ [ A.IV.2 ] 188 Tabla A.IV.8. Contenido de carbón total, carbón inorgánico y carbón orgánico de los lixiviados producidos en la unidad experimental 1 (suelo agrícola) Tiempo de ensayo (días) Carbón total (%)* Carbón inorgánico (%)* Carbón orgánico (%) 26 74,77 ± 0,26 20,99 ± 0,01 53,78 33 71,53 ± 0,02 22,42 ± 0,59 49,11 40 62,03 ± 0,17 21,48 ± 0,04 40,55 47 53,56 ± 0,31 18,41 ± 0,02 35,15 54 68,22 ± 0,45 22,87 ± 0,03 45,35 61 81,76 ± 0,75 30,55 ± 0,68 51,21 68 90,87 ± 0,15 32,63 ± 0,00 58,24 * ݔҧ ± σ (n = 2) Tabla A.IV.9. Contenido de carbón total, carbón inorgánico y carbón orgánico de los lixiviados producidos en la unidad experimental 2 (suelo agrícola + polvo de acería) Tiempo de ensayo (días) Carbón total (%)* Carbón inorgánico (%)* Carbón orgánico (%) 26 19,65 ± 0,12 11,74 ± 0,18 7,91 33 18,09 ± 0,03 11,77 ± 0,03 6,32 40 23,46 ± 0,05 17,17 ± 0,01 6,29 47 18,82 ± 0,02 12,44 ± 0,01 6,38 54 21,03 ± 0,07 14,06 ± 0,01 6,97 61 16,88 ± 0,01 11,01 ± 0,01 5,87 68 21,68 ± 0,06 15,33 ± 0,06 6,35 * ݔҧ ± σ (n = 2) Tabla A.IV.10. Contenido de carbón total, carbón inorgánico y carbón orgánico de los lixiviados producidos en la unidad experimental 5 (suelo agrícola + polvo de acería) Tiempo de ensayo (días) Carbón total (%)* Carbón inorgánico (%)* Carbón orgánico (%) 26 68,61 ± 0,14 9,79 ± 0,02 58,82 33 71,56 ± 0,03 9,48 ± 0,02 62,08 40 21,52 ± 0,10 5,85 ± 0,04 15,67 47 14,83 ± 0,06 4,38 ± 0,03 10,45 54 14,62 ± 0,15 4,03 ± 0,00 10,60 61 16,70 ± 0,07 6,62 ± 0,03 10,09 68 18,02 ± 0,09 6,36 ± 0,00 11,66 * ݔҧ ± σ (n = 2) 189 4. CARACTERIZACIÓN QUÍMICA POR ESPECTROFOTOMETRÍA DE ABSORCIÓN ATÓMICA En las tablas que se muestra a continuación se exponen los resultados obtenidos por espectrofotometría de absorción atómica para la concentración, en los lixiviados resultantes de los ensayos en columna, de Fe, Cr, Cu, Zn, V, As, Ba, Hg, Ni, Ag, Co y Pb, parámetros regulados por el Texto Unificado de Legislación Ambiental Secundaria (TULAS), Libro VI, Anexo 1, para el control de descargas líquidas a cuerpos de agua dulce. Adicionalmente se presenta el contenido de Si, Al, Na, K, Ca y Mg, micronutrientes importantes del suelo agrícola. 21 1,31 18 2,00 22 1,89 14 1,24 16 1,35 13 1,28 16 1,78 15 2,04 17 0,89 14 0,43 15 0,61 12 0,76 14 0,94 15 0,67 17 0,69 16 0,80 16 0,61 14 16 19 21 23 26 28 30 33 35 37 42 44 47 49 51 54 Al 18 0,40 Si 13 Tiempo (días) 39,8 46,3 38,0 40,0 48,4 36,3 42,0 54,0 78,5 79,1 58,8 64,8 53,5 58,2 66,5 98,2 329,0 Na 89,50 93,10 76,70 76,70 91,00 66,90 75,10 95,80 127,10 126,70 94,00 102,20 85,80 86,40 99,70 128,20 284,00 K 3,9 2,4 3,1 3,3 3,5 2,3 2,9 3,5 6,4 6,6 8,9 5,7 2,9 3,6 5,0 12,3 162,0 Ca 0,75 0,53 0,54 0,60 0,70 0,33 0,24 0,44 1,45 1,62 1,30 1,24 0,48 0,95 1,41 2,90 45,00 Mg Cr Cu Zn 1,93 0,01 0,14 0,05 2,25 0,01 0,06 0,03 3,19 0,03 0,09 0,07 0,98 0,02 0,03 0,03 1,91 0,02 0,05 0,08 1,47 0,01 0,04 0,19 1,18 0,02 0,06 0,08 0,65 0,01 0,08 0,17 1,23 0,01 0,02 0,04 4,91 0,01 0,07 0,04 3,58 0,01 0,08 0,08 1,70 0,01 0,06 0,12 2,40 0,01 0,07 0,08 0,99 0,01 0,03 0,05 1,19 0,14 0,03 0,09 1,65 0,03 0,06 0,13 1,98 0,01 0,19 0,12 1,06 0,03 0,07 0,10 Fe <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 V As 0,0127 0,0254 0,0301 0,0317 0,0602 0,0207 0,0128 0,0121 0,0128 0,0217 0,0187 0,0127 0,0217 0,0611 0,0633 0,0499 0,0293 Concentración (mg/L) <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 Ba <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 Hg 0,02 0,03 0,03 0,01 0,02 <0,01 0,05 0,01 0,03 0,02 0,03 0,03 0,03 0,02 0,02 0,02 0,02 0,01 Ni <0,01 <0,01 <0,01 0,14 <0,01 0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 0,01 0,01 <0,01 <0,01 <0,01 Ag <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 Co <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 0,1 0,1 Pb Tabla A.IV.11. Concentración de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, V, As, Ba, Hg, Ni, Ag, Co y Pb en los lixiviados producidos en la unidad experimental 1 (suelo agrícola) 190 15 12 15 15 14 61 68 75 82 89 0,32 0,50 0,51 0,65 0,40 Al Na K Ca Mg 0,19 0,53 1,54 1,70 3,87 Fe 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 Cr 0,02 0,02 0,03 0,06 0,08 Cu 0,13 0,03 0,03 0,04 0,04 Zn <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 V As Concentración (mg/L) <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 Ba <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 Hg 0,03 0,01 0,01 <0,01 0,02 Ni <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 Ag <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 Co <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 Pb 8 9 13 1,22 6 6 7 14 16 19 21 23 26 0,83 0,66 0,84 1,29 0,22 0,72 6 13 Al Si Tiempo (días) 25,2 22,7 23,9 20,3 19,3 39,9 25,2 Na 7,69 7,02 7,79 4,60 4,40 23,20 10,10 K 17,8 19,6 16,6 14,6 18,7 24,0 28,9 Ca 0,08 0,08 0,27 0,09 0,56 1,25 0,04 Mg 0,02 0,02 0,03 0,01 0,01 0,01 0,01 Fe 0,44 0,47 0,64 1,57 1,30 1,58 1,09 Cr 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 Cu 0,01 0,01 <0,01 0,02 0,01 0,02 <0,01 Zn <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 V 0,0102 0,0184 0,0098 0,0509 0,0971 0,0036 0,1711 As Concentración (mg/L) <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 Ba <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 Hg 0,01 <0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 <0,01 Ni <0,01 0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 0,02 Ag <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 Co <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 Pb Tabla A.IV.12. Concentración de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, V, As, Ba, Hg, Ni, Ag, Co y Pb en los lixiviados producidos en la unidad experimental 2 (suelo + polvo de acería) Si Tiempo (días) Tabla A.IV.11. Concentración de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, V, As, Ba, Hg, Ni, Ag, Co y Pb en los lixiviados producidos en la unidad experimental 1 (suelo agrícola) (continuación …) 191 9 13 0,22 14 0,17 15 0,11 15 0,08 10 0,18 10 0,11 11 0,13 11 0,15 9 7 5 6 7 9 30 33 35 37 42 44 47 49 51 54 61 68 75 82 89 0,04 0,07 0,04 0,05 0,02 0,07 0,27 0,53 7 28 Al Si Tiempo (días) 35,0 35,8 30,7 32,7 41,2 31,3 23,1 22,8 26,4 27,5 Na 9,90 14,40 9,90 10,50 6,30 6,00 10,10 8,59 9,56 9,52 K 8,6 11,7 12,9 7,9 10,6 18,5 18,4 31,1 11,9 10,5 Ca 0,35 0,45 0,69 0,69 1,22 3,53 4,40 1,40 1,00 0,22 Mg <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 0,01 0,04 0,14 0,06 0,02 0,02 0,04 0,03 0,01 0,01 0,05 Fe 0,06 0,05 0,06 0,16 0,06 0,11 0,26 0,25 0,24 0,24 0,37 0,21 0,08 0,21 0,39 0,45 Cr <0,01 <0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,04 0,02 0,01 0,01 0,01 0,02 0,01 0,01 0,01 0,01 Cu 0,08 0,01 <0,01 0,01 <0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,02 0,01 0,02 0,01 0,01 Zn <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 V As 0,0246 0,0610 0,0703 0,0601 0,0171 0,0416 0,0407 0,0216 0,0219 0,0302 Concentración (mg/L) <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 Ba <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 Hg 0,01 <0,01 0,01 <0,01 0,01 <0,01 0,02 0,02 0,01 0,01 <0,01 0,01 <0,01 0,02 0,01 0,01 Ni <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 0,05 <0,01 <0,01 0,02 0,02 0,01 Ag <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 Co <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 Pb Tabla A.IV.12. Concentración de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, V, As, Ba, Hg, Ni, Ag, Co y Pb en los lixiviados producidos en la unidad experimental 2 (suelo + polvo de acería) (continuación …) 192 15 0,46 11 0,15 13 0,29 11 0,22 12 0,36 12 0,20 14 0,16 13 0,20 11 0,28 9 0,18 11 0,20 11 0,18 12 0,22 15 0,19 16 0,06 19 21 23 26 28 30 33 35 37 42 44 47 49 51 54 18,7 34,0 30,8 28,9 28,3 26,4 34,1 18,6 29,3 26,8 25,6 29,5 18,9 22,6 16 0,30 134,0 4,00 7,60 6,90 6,90 6,40 6,70 8,10 9,10 12,78 14,19 14,36 20,83 13,03 21,60 160,00 854,00 16 K 18 0,16 533,0 Na 14 Al 20 0,13 4245,0 6860,00 Si 13 Tiempo (días) 10,4 12,9 14,1 15,1 15,7 19,1 27,3 14,1 68,0 69,0 43,2 108,0 51,0 112,0 167,0 260,0 682,0 Ca 2,35 0,19 0,29 0,45 0,75 0,49 0,54 7,20 0,65 0,92 3,20 1,55 2,90 2,10 0,06 0,26 3,80 Mg Cr Cu Zn V As 0,01 0,58 0,01 0,01 <0,1 0,06 0,19 0,03 0,06 <0,1 0,0508 0,06 0,62 0,02 0,01 <0,1 0,0304 0,05 0,57 0,02 0,02 <0,1 0,0217 0,02 0,40 0,01 0,03 <0,1 0,0716 0,01 0,42 0,01 0,21 <0,1 0,0207 0,05 0,34 0,01 0,03 <0,1 0,0803 0,03 0,47 0,02 0,03 <0,1 0,0903 0,02 0,02 0,02 0,04 <0,1 0,0205 0,01 0,30 0,01 0,03 <0,1 0,0110 0,01 0,33 0,04 0,03 <0,1 0,0117 0,05 0,19 0,01 0,10 <0,1 0,0273 0,01 0,42 0,02 0,03 <0,1 0,0118 0,01 0,12 0,01 0,06 <0,1 0,0123 0,01 0,43 0,03 0,07 <0,1 0,0647 0,01 1,26 0,06 0,04 <0,1 0,0945 0,01 1,57 0,06 0,10 <0,1 0,0830 0,09 2,89 0,16 0,50 <0,1 0,1472 Fe Concentración (mg/L) <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 Ba <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 Hg 0,01 0,04 0,02 0,02 <0,01 <0,01 0,01 0,03 0,01 0,01 0,01 0,03 0,02 0,01 0,01 <0,01 0,02 0,01 Ni <0,01 <0,01 Co <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 0,03 0,02 0,02 0,02 0,01 0,01 0,01 <0,01 <0,01 0,02 0,03 Ag <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 0,1 0,2 Pb Tabla A.IV.13. Concentración de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, V, As, Ba, Hg, Ni, Ag, Co y Pb en los lixiviados producidos en la unidad experimental 3 (suelo + polvo de acería) 193 12 0,04 12 0,04 17 0,06 75 82 89 Na K Ca Mg <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 Fe 0,08 0,34 0,86 0,10 0,60 Cr Zn 0,02 0,01 0,02 0,03 0,05 0,01 0,01 0,01 0,01 <0,01 Cu <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 V As Concentración (mg/L) Hg <0,1 <0,0001 <0,1 <0,0001 <0,1 <0,0001 <0,1 <0,0001 <0,1 <0,0001 Ba 0,04 0,01 0,01 <0,01 0,01 Ni <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 Ag <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 Co <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 Pb 7 7 12 0,36 6 5 8 14 16 19 21 23 26 0,22 0,22 0,13 0,26 0,16 0,03 7 13 Al Si Tiempo (días) 49,0 51,6 34,9 34,9 19,8 33,8 48,1 Na 19,50 19,57 16,51 12,20 7,50 13,80 37,80 K 9,5 11,7 13,3 12,5 15,8 12,2 11,5 Ca 6,60 7,10 8,10 7,80 9,20 7,40 9,50 Mg 0,01 0,03 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 Fe 0,27 0,32 0,24 0,49 0,28 0,57 0,78 Cr 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 Cu 0,04 0,02 0,06 0,05 0,04 0,04 <0,01 Zn <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 V 0,0398 0,0289 0,0407 0,0245 0,0342 0,0150 0,0166 As Concentración (mg/L) <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 Ba <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 Hg 0,01 <0,01 0,01 0,01 <0,01 0,01 <0,01 Ni 0,02 0,02 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 Ag <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 Co <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 Pb Tabla A.IV.14. Concentración de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, V, As, Ba, Hg, Ni, Ag, Co y Pb en los lixiviados producidos en la unidad experimental 4 (suelo + polvo de acería) 17 0,04 68 Al 13 0,02 Si 61 Tiempo (días) Tabla A.IV.13. Concentración de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, V, As, Ba, Hg, Ni, Ag, Co y Pb en los lixiviados producidos en la unidad experimental 3 (suelo + polvo de acería) (continuación …) 194 6 7 15 0,11 4 7 10 0,17 4 5 6 5 3 4 5 3 7 30 33 35 37 42 44 47 49 51 54 61 68 75 82 89 0,07 0,05 0,05 0,03 0,04 0,04 0,25 0,29 0,24 0,10 0,14 0,10 0,50 0,45 2 28 Al Si Tiempo (días) 38,4 62,0 63,9 57,2 55,7 49,1 29,5 54,1 48,3 46,2 Na 22,50 28,80 28,90 25,10 23,10 21,10 9,60 21,60 23,50 2,41 K 10,0 17,9 11,5 10,6 8,8 9,5 7,8 10,7 11,5 10,0 Ca 5,60 5,10 5,20 5,20 4,90 4,80 4,20 3,90 4,80 5,70 Mg <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 0,06 0,01 0,06 0,05 0,07 0,02 0,01 0,02 0,02 0,01 0,02 0,01 Fe 0,07 0,16 0,14 0,18 0,11 0,16 0,29 0,48 0,49 0,50 0,48 0,35 0,12 0,32 0,29 0,32 Cr 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,02 0,02 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 Cu 0,02 0,01 <0,01 <0,01 <0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,09 0,01 0,04 0,01 0,01 Zn <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 V As 0,0366 0,0519 0,0616 0,0468 0,0445 0,0207 0,0802 0,0407 0,0319 0,0201 Concentración (mg/L) <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 Ba <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 Hg 0,02 0,01 <0,01 <0,01 <0,01 0,01 0,03 0,01 0,04 <0,01 0,01 0,01 0,01 0,02 0,01 0,01 Ni <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 0,08 <0,01 <0,01 0,05 0,03 0,02 Ag <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 Co <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 Pb Tabla A.IV.14. Concentración de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, V, As, Ba, Hg, Ni, Ag, Co y Pb en los lixiviados producidos en la unidad experimental 4 (suelo + polvo de acería) (continuación …) 195 24 0,34 21 0,48 31 0,57 16 0,35 12 0,55 14 0,44 18 0,45 18 0,21 17 0,26 17 0,46 11 0,59 17 0,41 15 0,31 15 0,63 15 0,30 20 0,41 18 0,14 14 16 19 21 23 26 28 30 33 35 37 42 44 47 49 51 54 Al 28 0,20 Si 13 Tiempo (días) 29,1 22,0 19,2 30,7 23,0 18,5 19,2 22,2 22,3 23,3 17,2 18,3 16,7 6,8 6,9 6,9 8,0 Na 13,10 10,60 6,90 18,30 6,70 5,70 4,90 8,22 11,70 11,45 7,68 11,14 18,41 10,20 11,00 11,00 20,70 K 6,9 5,1 5,3 8,4 5,6 5,2 3,7 6,4 23,2 9,1 4,7 6,5 10,7 5,9 6,8 8,9 11,9 Ca 2,58 1,97 1,88 3,16 2,03 1,06 0,99 2,04 3,20 3,15 1,32 2,04 2,89 2,30 2,72 3,40 4,60 Mg 0,12 1,80 2,52 1,43 0,18 0,16 0,15 0,16 0,25 0,71 2,13 1,01 0,17 0,98 0,10 0,16 0,11 0,10 Fe 0,01 0,01 0,01 0,01 0,04 0,01 0,03 0,02 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,10 0,07 0,12 0,03 Cr 0,07 0,27 0,04 0,03 0,08 0,02 0,04 0,03 0,01 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,04 0,01 0,03 0,07 Cu 0,08 0,26 0,05 0,05 0,03 0,05 0,11 0,03 0,06 0,10 0,04 0,05 0,04 0,04 0,05 0,05 0,07 <0,01 Zn <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 V 0,0489 0,0432 0,0478 0,0709 0,0608 0,0401 0,0607 0,0668 0,0473 0,0127 0,0271 0,0336 0,0397 0,0457 0,1120 0,1145 0,1407 As Concentración (mg/L) <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 Ba <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 Hg <0,01 0,06 0,03 0,03 0,03 0,01 0,02 0,03 0,01 0,01 0,01 0,01 <0,01 0,01 0,01 <0,01 <0,01 0,01 Ni <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 0,01 0,01 Ag <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 Co <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 Pb Tabla A.IV.15. Concentración de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, V, As, Ba, Hg, Ni, Ag, Co y Pb en los lixiviados producidos en la unidad experimental 5 (polvo de acería) 196 16 18 17 21 68 75 82 89 0,22 0,06 0,15 0,12 0,17 Na K Ca Mg 0,15 0,16 0,10 0,50 0,40 Fe 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 Cr <0,01 <0,01 0,02 0,02 0,03 Cu 0,04 1,90 0,02 0,02 0,02 Zn <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 V As <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 Ba <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 Hg 0,01 0,01 0,01 <0,01 <0,01 Ni TASA DE DISOLUCIÓN DE LOS ELEMENTOS QUÍMICOS REMOVIDOS EN LOS LIXIVIADOS 16 61 Al Concentración (mg/L) <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 Ag <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 Co <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 Pb – 6 – 7 0,01 7,5 5,5 Concentración (mg/L) Cu 0,516 0,006 0,02 Cr – Zn – V Ba 0,0020 0,1 As 0,0010 Hg 0,0104 Ni – Ag – Co 0,005 Pb 0,74 0,010 0,003 0,01 0,01 <0,10 0,0014 0,1 <0,0001 0,0100 <0,01 <0,01 <0,10 – Fe * (Empresa Pública Metropolitana de Agua Potable y Saneamiento, 2012, pp. 28,29) – – Ca Mg – K Concentración (mg/L)* Na Al Si Tabla A.IV.16. Concentración de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, V, As, Ba, Hg, Ni, Ag, Co y Pb en la muestra de agua potable sultados del análisis por absorción atómica del agua con la que se irrigaron las columnas, mencionado en el punto 2.3.2.4. A continuación se exponen, en la Tabla A.IV.16, la caracterización química del agua potable que se distribuye en Quito y los re- 5. Si Tiempo (días) Tabla A.IV.15. Concentración de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, V, As, Ba, Hg, Ni, Ag, Co y Pb en los lixiviados producidos en la unidad experimental 5 (polvo de acería) (continuación …) 197 198 Para la línea base se va a tomar la concentración máxima de cada uno de los metales indicados en la Tabla A.IV.16, misma que se presenta en la Tabla A.IV.17. Tabla A.IV.17. Concentración base de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, V, As, Ba, Hg, Ni, Ag, Co y Pb en el agua potable alimentada a las columnas Si Al Na K Ca Mg Fe Cr Cu Zn As Ni Ag Pb Concentración 7 0,01 7,5 5,5 6 0,74 0,516 0,006 0,02 0,01 0,002 0,0104 0,01 0,005 (mg/L) Con estos valores, y asumiendo un caudal constante para los lixiviados resultantes de los procesos en columna, la tasa de remoción de los elementos químicos desde el suelo se determina aplicando la relación que se muestra a continuación: ݎ ா ൌ οሾ݈ܧሿ ή ܳ ൌ ቀሾ݈ܧሿ െ ሾ݈ܧሿ ቁ ή ܳ [ A.IV.3 ] Donde ݎ ா es la tasa de disolución del elemento químico, ܳ es el caudal promedio del lixiviado, ሾ݈ܧሿ es la concentración del elemento en el líquido que percola y ሾ݈ܧሿ es la concentración del elemento en el agua que se alimenta a la columna. Para el ejemplo de cálculo se van a ocupar los datos correspondientes a la concentración de silicio en la unidad experimental 1, mismos que se encuentran en la Tabla A.IV.11, para un tiempo de ensayo de 13 días. Como se advierte en la Tabla A.IV.2, el caudal promedio de los lixiviados en esta unidad experimental es 0,11 mL/h, de modo que la tasa de disolución de Si es: ݎ ௌ ൌ ቀͳͺ ݉݃ Ͳǡͳͳ ʹ ܮͶ݄ ͳͲͲͲߤ݃ ࣆࢍ ݉݃ െ ቁή൬ ൈ ൰ൈ ՜ ࢘ࡰ ࡿ ൌ ૡǡ ͳͲͲͲ ݄ ͳ݀Àܽ ࢊÀࢇ ܮ ܮ ͳ݉݃ Procedimiento del mismo modo con los datos experimentales presentados en las secciones 1 y 4, se obtiene la tasa de disolución de los elementos Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, V, As, Ba, Hg, Ni, Ag, Co y Pb en los lixiviados resultantes de los ensayos en columna, parámetro que se muestra a continuación. 20,5333 5,2103 182,2333 312,1067 25,6667 2,2587 119,3500 231,7700 17,9667 1,0780 88,5500 178,6400 20,5333 1,5400 73,9200 157,5933 12,8333 1,9250 104,9767 219,4500 17,9667 2,3870 83,4167 182,7467 20,5333 1,6940 78,2833 182,7467 25,6667 1,7453 99,5867 224,8400 23,1000 2,0277 82,9033 215,6000 23,1000 1,5400 33 35 37 42 44 47 49 51 54 -5,3900 -9,2400 -7,4433 -6,9300 -6,4167 -9,4967 -7,9567 -6,4167 1,0267 0,0257 -0,5390 -0,5133 -0,3593 -0,1027 -1,0523 -1,2833 -0,7700 1,8223 2,2587 1,4373 1,2833 -0,6673 0,5390 1,7197 3,6293 0,0103 0,3080 0,1027 -0,0023 0,0246 0,0000 0,2438 4,4506 0,0103 0,1027 0,0513 0,0275 -0,0023 0,0503 0,0000 0,2438 6,8633 0,0616 0,1797 0,1540 0,0601 -0,0023 0,0503 0,0000 0,2438 1,1909 0,0359 0,0257 0,0513 0,0721 -0,0023 -0,0010 0,3337 0,2438 3,5779 0,0359 0,0770 0,1797 0,0762 -0,0023 0,0246 0,0000 0,2438 2,4486 0,0103 0,0513 0,4620 0,1494 -0,0023 -0,0010 0,0000 0,2438 1,7043 0,0359 0,1027 0,1797 0,0480 -0,0023 0,1016 0,0000 0,2438 0,3439 0,0103 0,1540 0,4107 0,0277 -0,0023 -0,0010 0,0000 0,2438 1,8326 0,0103 0,0000 0,0770 0,0259 -0,0023 0,0503 0,0000 0,2438 11,2779 0,0103 0,1283 0,0770 0,0277 -0,0023 0,0246 0,0000 0,2438 7,8643 0,0103 0,1540 0,1797 0,0506 -0,0023 0,0503 0,0000 0,2438 3,0389 0,0103 0,1027 0,2823 0,0429 -0,0023 0,0503 0,0000 0,2438 4,8356 0,0103 0,1283 0,1797 0,0275 -0,0023 0,0503 0,0000 0,2438 1,2166 0,0103 0,0257 0,1027 0,0506 -0,0023 0,0246 0,0000 0,2438 1,7299 0,3439 0,0257 0,2053 0,1517 -0,0023 0,0246 0,0000 0,2438 2,9106 0,0616 0,1027 0,3080 0,1573 -0,0023 0,0246 0,0000 0,2438 3,7576 0,0103 0,4363 0,2823 0,1229 -0,0023 0,0246 0,0000 0,2438 30 1,5400 7,4433 -0,7700 -7,9310 -6,1600 -2,5667 5,5440 23,1000 4,5430 183,7733 311,0800 Pb 28 Ag 15,4000 3,2597 131,6700 227,1500 Ni 26 Hg 23,1000 3,4393 147,0700 248,1967 As 23 Zn 17,9667 3,1570 118,0667 206,1033 Cu 21 Cr 38,5000 4,8253 130,1300 207,6433 Fe 19 Mg 28,2333 5,1077 151,4333 241,7800 Ca 16 K 35,9333 3,3367 232,7967 314,9300 16,1700 Na 14 Al 28,2333 1,0010 825,1833 714,8167 400,4000 113,6007 1,3963 0,0616 0,1283 0,2310 0,0701 -0,0023 -0,0010 0,0000 0,2438 Si Tasa de disolución (μg/día) 13 Tiempo (días) Tabla A.IV.18. Tasa de disolución de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, V, As, Ba, Hg, Ni, Ag, Co y Pb en los lixiviados producidos en la unidad experimental 1 (suelo agrícola) 199 20,5333 12,8333 20,5333 20,5333 17,9667 61 68 75 82 89 0,7957 1,2577 1,2833 1,6427 1,0010 Al Na K Ca Mg -0,8367 0,0359 2,6283 3,0389 8,6086 Fe 0,0103 0,0103 0,0103 0,0103 0,0103 Cr 0,0000 0,0000 0,0257 0,1027 0,1540 Cu Tasa de disolución (μg/día) 0,3080 0,0513 0,0513 0,0770 0,0770 Zn As -0,0023 -0,0023 -0,0023 -0,0023 -0,0023 Ni 0,0503 -0,0010 -0,0010 -0,0010 0,0246 Ag 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 Pb Si -2,1667 2,1667 4,3333 13,0000 -2,1667 -2,1667 0,0000 Tiempo (días) 13 14 16 19 21 23 26 1,7767 1,4083 1,7983 2,6217 2,7733 0,4550 1,5383 Al 38,3500 32,9333 35,5333 27,7333 25,5667 70,2000 38,3500 Na 4,7450 3,2933 4,9617 -1,9500 -2,3833 38,3500 9,9667 K 25,5667 29,4667 22,9667 18,6333 27,5167 39,0000 49,6167 Ca -1,4300 -1,4300 -1,0183 -1,4083 -0,3900 1,1050 -1,5167 Mg -1,0747 -1,0747 -1,0530 -1,0963 -1,0963 -1,0963 -1,0963 Fe 0,9403 1,0053 1,3737 3,3887 2,8037 3,4103 2,3487 Cr Cu -0,0217 -0,0217 -0,0217 -0,0217 -0,0217 -0,0217 -0,0217 Tasa de disolución (μg/día) 0,0000 0,0000 0,0000 0,0217 0,0000 0,0217 0,0000 Zn 0,0178 0,0355 0,0169 0,1060 0,2061 0,0035 0,3664 As -0,0020 -0,0020 -0,0020 -0,0020 -0,0020 -0,0020 -0,0020 Ni -0,0009 -0,0009 -0,0009 -0,0009 -0,0009 -0,0009 -0,0009 Ag 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0217 Pb Tabla A.IV.19. Tasa de disolución de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, V, As, Ba, Hg, Ni, Ag, Co y Pb en los lixiviados producidos en la unidad experimental 2 (suelo + polvo de acería) Si Tiempo (días) Tabla A.IV.18. Tasa de disolución de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, V, As, Ba, Hg, Ni, Ag, Co y Pb en los lixiviados producidos en la unidad experimental 1 (suelo agrícola) (continuación …) 200 Si 0,0000 4,3333 13,0000 15,1667 17,3333 17,3333 6,5000 6,5000 8,6667 8,6667 4,3333 0,0000 -4,3333 -2,1667 0,0000 4,3333 Tiempo (días) 28 30 33 35 37 42 44 47 49 51 54 61 68 75 82 89 0,0650 0,1300 0,0650 0,0867 0,0217 0,1300 0,3033 0,2600 0,2167 0,3683 0,1517 0,2167 0,3467 0,4550 0,5633 1,1267 Al 59,5833 61,3167 50,2667 54,6000 73,0167 51,5667 33,8000 33,1500 40,9500 43,3333 Na 9,5333 19,2833 9,5333 10,8333 1,7333 1,0833 9,9667 6,6950 8,7967 8,7100 K 5,6333 12,3500 14,9500 4,1167 9,9667 27,0833 26,8667 54,3833 12,7833 9,7500 Ca -0,8450 -0,6283 -0,1083 -0,1083 1,0400 6,0450 7,9300 1,4300 0,5633 -1,1267 Mg -1,0963 -1,0963 -1,0963 -1,0963 -1,0963 -1,0963 -1,0313 -0,8147 -0,9880 -1,0747 -1,0747 -1,0313 -1,0530 -1,0963 -1,0963 -1,0097 Fe 0,1170 0,0953 0,1170 0,3337 0,1170 0,2253 0,5503 0,5287 0,5070 0,5070 0,7887 0,4420 0,1603 0,4420 0,8320 0,9620 Cr Cu -0,0217 -0,0217 -0,0217 -0,0217 -0,0217 -0,0217 0,0433 0,0000 -0,0217 -0,0217 -0,0217 0,0000 -0,0217 -0,0217 -0,0217 -0,0217 Tasa de disolución (μg/día) 0,1517 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0217 0,0000 0,0217 0,0000 0,0000 Zn 0,0490 0,1278 0,1480 0,1259 0,0327 0,0858 0,0839 0,0425 0,0431 0,0611 As -0,0020 -0,0020 -0,0020 -0,0020 -0,0020 -0,0020 -0,0020 -0,0020 -0,0020 -0,0020 -0,0020 -0,0020 -0,0020 -0,0020 -0,0020 -0,0020 Ni -0,0009 -0,0009 -0,0009 -0,0009 -0,0009 -0,0009 0,0208 0,0208 -0,0009 -0,0009 -0,0009 -0,0009 -0,0009 0,0208 -0,0009 -0,0009 Ag 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0867 0,0000 0,0000 0,0217 0,0217 0,0000 Pb Tabla A.IV.19. Tasa de disolución de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, V, As, Ba, Hg, Ni, Ag, Co y Pb en los lixiviados producidos en la unidad experimental 2 (suelo + polvo de acería) (continuación …) 201 8,0000 12,0000 0,5600 8,0000 10,0000 0,7000 10,0000 0,3800 14,0000 0,3000 12,0000 0,3800 8,0000 4,0000 8,0000 8,0000 10,0000 0,4200 16,0000 0,3600 18,0000 0,1000 21 23 26 28 30 33 35 37 42 44 47 49 51 54 0,3400 0,3800 0,3400 0,5400 0,4200 0,2800 16,0000 0,9000 22,4000 53,0000 46,6000 42,8000 41,6000 37,8000 53,2000 22,2000 43,6000 38,6000 36,2000 44,0000 22,8000 30,2000 -3,0000 4,2000 2,8000 2,8000 1,8000 2,4000 5,2000 7,2000 14,5600 17,3800 17,7200 30,6600 15,0600 32,2000 309,0000 8,8000 13,8000 16,2000 18,2000 19,4000 26,2000 42,6000 16,2000 124,0000 126,0000 74,4000 204,0000 90,0000 212,0000 322,0000 508,0000 19 253,0000 1697,0000 18,0000 0,5800 Ca 16 K 22,0000 0,3000 1051,0000 Na 14 Al 26,0000 0,2400 8475,0000 13709,0000 1352,0000 Si Cr Cu Zn As Ni Ag Pb -0,8520 5,7680 0,2800 0,9800 0,2904 -0,0018 -0,0008 0,0400 Fe -1,0120 0,6480 0,0400 0,0400 0,0194 -0,0018 -0,0008 0,0200 -0,9320 0,3680 -0,0200 0,1800 0,0506 -0,0018 0,0392 0,0200 -1,0120 0,8280 0,0000 0,0400 0,0196 -0,0018 0,0192 0,0000 -1,0120 0,2280 -0,0200 0,1000 0,0206 -0,0018 -0,0008 0,0000 -1,0120 0,8480 0,0200 0,1200 0,1254 -0,0018 -0,0008 0,0000 -1,0120 0,8280 -0,0200 0,4000 0,0374 -0,0018 -0,0008 0,0000 3,2200 -1,0120 1,1480 -0,0200 0,0000 -0,0018 -0,0008 0,0000 -0,9120 0,3680 0,0200 0,1000 0,0976 -0,0018 0,0592 0,0000 -1,1000 -0,9120 1,2280 0,0000 0,0000 0,0568 -0,0018 0,0192 0,0000 -0,9000 -0,9320 1,1280 0,0000 0,0200 0,0394 -0,0018 0,0192 0,0000 -0,5800 -0,9920 0,7880 -0,0200 0,0400 0,1392 -0,0018 -0,0008 0,0000 0,0200 -0,5000 -0,9320 0,6680 -0,0200 0,0400 0,1566 -0,0018 -0,0008 0,0000 -0,4000 -0,9720 0,9280 0,0000 0,0400 0,1766 -0,0018 0,0392 0,0000 12,9200 -0,9920 0,0280 0,0000 0,0600 0,0370 -0,0018 -0,0008 0,0400 -0,1800 -1,0120 0,5880 -0,0200 0,0400 0,0180 -0,0018 -0,0008 0,0200 0,3600 4,9200 1,6200 4,3200 2,7200 -1,3600 -1,0120 2,5080 0,0800 0,0600 0,1850 -0,0018 -0,0008 0,0000 -0,9600 -1,0120 3,1280 0,0800 0,1800 0,1620 -0,0018 0,0192 0,0200 6,1200 Mg Tasa de disolución (μg/día) 13 Tiempo (días) Tabla A.IV.20. Tasa de disolución de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, V, As, Ba, Hg, Ni, Ag, Co y Pb en los lixiviados producidos en la unidad experimental 3 (suelo + polvo de acería) 202 12,0000 20,0000 10,0000 10,0000 20,0000 61 68 75 82 89 0,1000 0,0600 0,0600 0,0600 0,0200 Al Na K Ca Mg -1,0120 -1,0120 -1,0120 -1,0120 -1,0120 Fe 0,1480 0,6680 1,7080 0,1880 1,1880 Cr 0,0000 -0,0200 0,0000 0,0200 -0,0200 Cu Tasa de disolución (μg/día) 0,0800 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 Zn As -0,0018 -0,0018 -0,0018 -0,0018 -0,0018 Ni 0,0592 -0,0008 -0,0008 -0,0008 -0,0008 Ag 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 Pb Si 0,0000 0,0000 0,0000 10,8333 -2,1667 -4,3333 2,1667 Tiempo (días) 13 14 16 19 21 23 26 0,4550 0,4550 0,2600 0,7583 0,5417 0,3250 0,0433 Al 89,9167 95,5500 59,3667 59,3667 26,6500 56,9833 87,9667 Na 30,3333 30,4850 23,8550 14,5167 4,3333 17,9833 69,9833 K 7,5833 12,3500 15,8167 14,0833 21,2333 13,4333 11,9167 Ca 12,6967 13,7800 15,9467 15,2967 18,3300 14,4300 18,9800 Mg -1,0963 -1,0530 -1,0963 -1,0963 -1,0963 -1,0963 -1,0963 Fe 0,5720 0,6803 0,5070 1,0487 0,5937 1,2220 1,6770 Cr Cu -0,0217 -0,0217 -0,0217 -0,0217 -0,0217 -0,0217 -0,0217 Tasa de disolución (μg/día) As 0,0650 0,0819 0,0217 0,0583 0,1083 0,0839 0,0867 0,0488 0,0650 0,0698 0,0650 0,0282 0,0000 0,0316 Zn -0,0020 -0,0020 -0,0020 -0,0020 -0,0020 -0,0020 -0,0020 Ni -0,0009 -0,0009 -0,0009 -0,0009 -0,0009 -0,0009 -0,0009 Ag 0,0217 0,0217 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 Pb Tabla A.IV.21. Tasa de disolución de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, V, As, Ba, Hg, Ni, Ag, Co y Pb en los lixiviados producidos en la unidad experimental 4 (suelo + polvo de acería) Si Tiempo (días) Tabla A.IV.20. Tasa de disolución de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, V, As, Ba, Hg, Ni, Ag, Co y Pb en los lixiviados producidos en la unidad experimental 3 (suelo + polvo de acería) (continuación …) 203 0,0000 17,3333 0,2167 -6,5000 0,0000 6,5000 -6,5000 -4,3333 -2,1667 -4,3333 -8,6667 -6,5000 -4,3333 -8,6667 0,0000 33 35 37 42 44 47 49 51 54 61 68 75 82 89 0,1300 0,0867 0,0867 0,0433 0,0650 0,0650 0,5200 0,6067 0,4983 0,3467 0,1950 0,2817 0,1950 1,0617 -2,1667 30 Al -10,8333 0,9533 Si 28 Tiempo (días) 66,9500 118,0833 122,2000 107,6833 104,4333 90,1333 47,6667 100,9667 88,4000 83,8500 Na 36,8333 50,4833 50,7000 42,4667 38,1333 33,8000 8,8833 34,8833 39,0000 -6,6950 K 8,6667 25,7833 11,9167 9,9667 6,0667 7,5833 3,9000 10,1833 11,9167 8,6667 Ca 10,5300 9,4467 9,6633 9,6633 9,0133 8,7967 7,4967 6,8467 8,7967 10,7467 Mg -1,0963 -1,0963 -1,0963 -1,0963 -0,9880 -1,0963 -0,9880 -1,0097 -0,9663 -1,0747 -1,0963 -1,0747 -1,0747 -1,0963 -1,0747 -1,0963 Fe Cu 0,0000 0,0000 0,1387 -0,0217 0,3337 -0,0217 0,2903 -0,0217 0,3770 -0,0217 0,2253 -0,0217 0,3337 -0,0217 0,6153 1,0270 1,0487 -0,0217 1,0703 -0,0217 1,0270 -0,0217 0,7453 -0,0217 0,2470 -0,0217 0,6803 -0,0217 0,6153 -0,0217 0,6803 -0,0217 Cr Tasa de disolución (μg/día) As Ni 0,0217 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 -0,0020 -0,0020 -0,0020 -0,0020 -0,0020 -0,0020 0,0000 0,0750 -0,0020 0,0000 0,1081 -0,0020 0,0000 0,1291 -0,0020 0,0000 0,0971 -0,0020 0,0000 0,0921 -0,0020 0,1733 0,0405 -0,0020 0,0000 0,1694 -0,0020 0,0650 0,0839 -0,0020 0,0000 0,0648 -0,0020 0,0000 0,0392 -0,0020 Zn 0,0208 -0,0009 -0,0009 -0,0009 -0,0009 -0,0009 0,0425 -0,0009 0,0641 -0,0009 -0,0009 -0,0009 -0,0009 0,0208 -0,0009 -0,0009 Ag 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,1517 0,0000 0,0000 0,0867 0,0433 0,0217 Pb Tabla A.IV.21. Tasa de disolución de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, V, As, Ba, Hg, Ni, Ag, Co y Pb en los lixiviados producidos en la unidad experimental 4 (suelo + polvo de acería) (continuación …) 204 Si 37,1000 30,0333 24,7333 42,4000 15,9000 8,8333 12,3667 19,4333 19,4333 17,6667 17,6667 7,0667 17,6667 14,1333 14,1333 14,1333 22,9667 19,4333 Tiempo (días) 13 14 16 19 21 23 26 28 30 33 35 37 42 44 47 49 51 54 0,2297 0,7067 0,5123 1,0953 0,5300 0,7067 1,0247 0,7950 0,4417 0,3533 0,7773 0,7597 0,9540 0,6007 0,9893 0,8303 0,5830 0,3357 Al 38,1600 25,6167 20,6700 40,9867 27,3833 19,4333 20,6700 25,9700 26,1467 27,9133 17,1367 19,0800 16,2533 -1,2367 -1,0600 -1,0600 0,8303 Na 13,4267 9,0100 2,4733 22,6133 2,1200 0,3533 -1,0600 4,8053 10,9533 10,5117 3,8513 9,9640 22,8077 8,3033 9,7167 9,7167 26,8533 K 1,5900 -1,5900 -1,2367 4,2400 -0,7067 -1,4133 -4,0633 0,7067 30,3867 5,4767 -2,2967 0,8833 8,3033 -0,1767 1,4133 5,1233 10,4233 Ca 3,2507 2,1730 2,0140 4,2753 2,2790 0,5653 0,4417 2,2967 4,3460 4,2577 1,0247 2,2967 3,7983 2,7560 3,4980 4,6993 6,8193 Mg -0,6996 2,2684 3,5404 1,6147 -0,5936 -0,6289 -0,6466 -0,6289 -0,4699 0,3427 2,8514 0,8727 -0,6113 0,8197 -0,7349 -0,6289 -0,7173 -0,7349 Fe 0,0071 0,0071 0,0071 0,0071 0,0601 0,0071 0,0424 0,0247 0,0071 0,0071 0,0071 0,0071 0,0071 0,0071 0,1661 0,1131 0,2014 0,0424 Cr Cu 0,0883 0,4417 0,0353 0,0177 0,1060 0,0000 0,0353 0,0177 -0,0177 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0353 -0,0177 0,0177 0,0883 Tasa de disolución (μg/día) 0,1237 0,4417 0,0707 0,0707 0,0353 0,0707 0,1767 0,0353 0,0883 0,1590 0,0530 0,0707 0,0530 0,0530 0,0707 0,0707 0,1060 0,0000 Zn 0,0829 0,0728 0,0809 0,1217 0,1039 0,0673 0,1037 0,1145 0,0800 0,0189 0,0443 0,0558 0,0666 0,0772 0,1943 0,1988 0,2450 As -0,0016 -0,0016 -0,0016 -0,0016 -0,0016 -0,0016 -0,0016 -0,0016 -0,0016 -0,0016 -0,0016 -0,0016 -0,0016 -0,0016 -0,0016 -0,0016 -0,0016 -0,0016 Ni -0,0007 0,0876 0,0346 0,0346 0,0346 -0,0007 0,0170 0,0346 -0,0007 -0,0007 -0,0007 -0,0007 -0,0007 -0,0007 -0,0007 -0,0007 -0,0007 -0,0007 Ag 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 Pb Tabla A.IV.22. Tasa de disolución de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, V, As, Ba, Hg, Ni, Ag, Co y Pb en los lixiviados producidos en la unidad experimental 5 (polvo de acería) 205 15,9000 15,9000 19,4333 17,6667 24,7333 61 68 75 82 89 0,3710 0,0883 0,2473 0,1943 0,2827 Al Na K Ca Mg -0,6466 -0,6289 -0,7349 -0,0283 -0,2049 Fe 0,0071 0,0071 0,0071 0,0071 0,0071 Cr Cu -0,0177 -0,0177 0,0000 0,0000 0,0177 Tasa de disolución (μg/día) 0,0530 3,3390 0,0177 0,0177 0,0177 Zn As -0,0016 -0,0016 -0,0016 -0,0016 -0,0016 Ni -0,0007 -0,0007 -0,0007 -0,0007 -0,0007 Ag 82,7157 18,9937 Columna 5 (polvo de acería) 19,5101 0,5830 9,7894 30,5870 3,3567 11,8275 22,9794 -1,5072 0,3561 8,4207 Columna 4 (suelo + polvo) 45,3088 13,0435 0,3400 606,7059 933,2929 186,6941 0,7338 20,5801 Ca Columna 3 (suelo + polvo) K 4,8986 Na Columna 2 (suelo + polvo) Al 22,2072 2,4372 166,6673 257,4820 Si Cr Cu Zn As Ni Ag -0,9824 1,1271 0,0157 0,1096 0,0960 -0,0018 0,0114 -1,0624 0,9563 -0,0170 0,0104 0,0913 -0,0020 0,0020 3,3715 0,0348 0,1094 0,1774 0,0699 -0,0023 0,0280 Fe 2,9877 0,1292 0,0332 0,0361 0,2258 0,1017 -0,0016 0,0100 11,7918 -1,0718 0,6850 -0,0198 0,0292 0,0766 -0,0020 0,0057 1,7788 0,4767 7,2320 Mg Tasa de disolución promedio (μg/día) Columna 1 (suelo) Unidad experimental Tabla A.IV.23. Tasa de disolución promedio de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, V, As, Ba, Hg, Ni, Ag, Co y Pb en los lixiviados producidos en las unidades experimentales 1, 2, 3, 4 y 5 En la Tabla A.IV.23 se presenta a continuación la tasa de disolución promedio de los elementos químicos indicados. Si Tiempo (días) Tabla A.IV.22. Tasa de disolución de Si, Al, Na, K, Ca, Mg, Fe, Cr, Cu, Zn, V, As, Ba, Hg, Ni, Ag, Co y Pb en los lixiviados producidos en la unidad experimental 5 (polvo de acería) (continuación …) 206 207 ANEXO V CÁLCULO DE LAS PROPIEDADES DE LOS SÓLIDOS ESTABILIZADOS Y TABLAS DE RESULTADOS PARCIALES 1. DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD A continuación se presentan los datos experimentales obtenidos para la determinación de la densidad de los sólidos estabilizados. Tabla A.V.1. Datos experimentales obtenidos para la determinación de la densidad del lixiviado resultante del proceso en columna estabilizado con cemento y cal Relación Líquido/Sólido L/S = 0,4 L/S = 0,5 L/S = 0,6 Ensayo No. Masa de la muestra (g) Volumen desplazado (mL) 1 42,7 76,3 2 72,5 127,1 3 73,7 124,9 1 58,4 102,5 2 49,7 90,4 3 44,9 74,8 1 68,9 107,7 2 58,2 95,5 3 59,3 97,2 Tabla A.V.2. Datos experimentales obtenidos para la determinación de la densidad del extracto lixiviado del test TCLP sobre el polvo de acería estabilizado con cemento y cal Relación Líquido/Sólido L/S = 0,4 L/S = 0,5 L/S = 0,6 Ensayo No. Masa de la muestra (g) Volumen desplazado (mL) 1 53,7 89,5 2 73,7 124,8 3 70,3 121,2 1 42,2 75,4 2 72,2 131,4 3 68,6 114,4 1 62,0 95,3 2 43,0 71,6 3 66,7 104,1 208 Dado que la densidad de un sólido es igual a la relación entre su masa y el volumen que ocupa, la densidad de los residuos estabilizados se determina a partir de la siguiente ecuación: ߩௌா ൌ ݉ௌா ܸௌா [ A.V.1 ] Donde ߩௌா es la densidad del sólido estabilizado, ݉ௌா es la masa y ܸௌா es el vo- lumen de la muestra, la última correspondiente al volumen de agua que desplaza. Para el ejemplo de cálculo se considerarán los datos correspondientes al ensayo No. 1 de la muestra de lixiviado resultante del proceso en columna estabilizado con cemento y cal, para una relación másica líquido/sólido igual a 0,4. Entonces, aplicando la ecuación anterior a estos datos se obtiene: ߩௌா ൌ ࢍ Ͷʹǡ݃ ՜ ࣋ࡿࡱ ൌ ǡ ࡸ ǡ͵݉ܮ Procedimiento del mismo modo con los datos experimentales presentados en las tablas anteriores, se determinan los siguientes resultados: Tabla A.V.3. Densidad del lixiviado resultante del proceso en columna estabilizado con cemento y cal Relación Líquido/Sólido L/S = 0,4 L/S = 0,5 L/S = 0,6 Ensayo No. Densidad (g/mL) 1 0,56 2 0,57 3 0,59 1 0,57 2 0,55 3 0,60 1 0,64 2 0,61 3 0,61 Densidad promedio (g/mL)* 0,57 ± 0,02 0,57 ± 0,03 0,62 ± 0,02 * ݔҧ ± σ (n = 3) L/S: Cociente entre la masa de líquido (lixiviado) y la masa de sólido (cemento + cal) 209 Tabla A.V.4. Densidad del extracto lixiviado del test TCLP sobre el polvo de acería estabilizado con cemento y cal Relación Líquido/Sólido Ensayo No. Densidad (g/mL) 1 0,60 2 0,59 3 0,58 1 0,56 2 0,55 3 0,60 1 0,65 2 0,60 3 0,64 L/S = 0,4 L/S = 0,5 L/S = 0,6 Densidad promedio (g/mL)* 0,59 ± 0,01 0,57 ± 0,03 0,63 ± 0,03 * ݔҧ ± σ (n = 3) L/S: Cociente entre la masa de líquido (lixiviado) y la masa de sólido (cemento + cal) 2. DETERMINACIÓN DE LA HUMEDAD A continuación se presentan los datos experimentales obtenidos para la determinación de la humedad de los sólidos estabilizados. Tabla A.V.5. Datos experimentales obtenidos para la determinación de la humedad del lixiviado resultante del proceso en columna estabilizado con cemento y cal Relación Líquido/Sólido L/S = 0,4 L/S = 0,5 L/S = 0,6 Ensayo No. Masa del crisol (g) Masa de la muestra húmeda (g) Masa del crisol y la muestra seca (g) 1 20,8253 0,1003 20,9214 2 20,8044 0,1010 20,9011 3 20,8253 0,1002 20,9176 1 21,5586 0,1004 21,6499 2 20,7565 0,1009 20,8484 3 21,2285 0,1006 21,3226 1 21,4462 0,1004 21,5352 2 21,3662 0,1008 21,4558 3 21,4906 0,1007 21,5797 210 Tabla A.V.6. Datos experimentales obtenidos para la determinación de la humedad del extracto lixiviado del test TCLP sobre el polvo de acería estabilizado con cemento y cal Relación Líquido/Sólido L/S = 0,4 L/S = 0,5 L/S = 0,6 Ensayo No. Masa del crisol (g) Masa de la muestra húmeda (g) Masa del crisol y la muestra seca (g) 1 20,8098 0,1010 20,9049 2 21,4584 0,1004 21,5509 3 21,4672 0,1010 21,5635 1 21,3011 0,1007 21,3946 2 21,2991 0,1003 21,3896 3 21,4070 0,1008 21,4991 1 20,8748 0,1001 20,9633 2 21,0562 0,1005 21,1443 3 20,7911 0,1008 20,8814 La secuencia de cálculo para la estimación del contenido de humedad de una muestra se detalló en el punto 4 del Anexo I, titulado “Determinación de la humedad”, donde se indica que esta propiedad se encuentra con la aplicación de las ecuaciones [ A.I.4 ] y [ A.I.5 ] a los datos experimentales obtenidos. Por tanto, como resultado de la aplicación de dichas ecuaciones a los valores presentados en las tablas anteriores, se define que la humedad de los residuos estabilizados es: Tabla A.V.7. Humedad del lixiviado resultante del proceso en columna estabilizado con cemento y cal Relación Líquido/Sólido L/S = 0,4 L/S = 0,5 L/S = 0,6 Ensayo No. Humedad 1 4,19 % 2 4,26 % 3 7,88 % 1 9,06 % 2 8,92 % 3 6,46 % 1 11,35 % 2 11,11 % 3 11,52 % Humedad promedio* 5,44 % ± 2,11 % 8,15 % ± 1,46 % 11,33 % ± 0,21 % * ݔҧ ± σ (n = 3) L/S: Cociente entre la masa de líquido (lixiviado) y la masa de sólido (cemento + cal) 211 Tabla A.V.8. Humedad del extracto lixiviado del test TCLP sobre el polvo de acería estabilizado con cemento y cal Relación Líquido/Sólido L/S = 0,4 L/S = 0,5 L/S = 0,6 Ensayo No. Humedad 1 5,84 % 2 7,87 % 3 4,65 % 1 7,15 % 2 9,77 % 3 8,63 % 1 11,59 % 2 12,34 % 3 10,42 % Humedad promedio* 6,12 % ± 1,63 % 8,52 % ± 1,31 % 11,45 % ± 0,97 % * ݔҧ ± σ (n = 3) L/S: Cociente entre la masa de líquido (lixiviado) y la masa de sólido (cemento + cal) 3. DETERMINACIÓN DEL pH Y DE LA CONDUCTIVIDAD A continuación se exponen los datos experimentales obtenidos para la determinación del pH y la conductividad de los sólidos estabilizados en solución a partir de la aplicación del método expuesto en el punto 2.5.3.1.3. Tabla A.V.9. Resultados obtenidos para el pH y la conductividad a temperatura ambiente del lixiviado resultante del proceso en columna estabilizado con cemento y cal Relación Líquido/Sólido L/S = 0,4 L/S = 0,5 L/S = 0,6 Ensayo No. pH Conductividad (µS) 1 7,57 257 2 7,80 332 3 7,58 333 1 8,63 289 2 7,08 303 3 7,44 290 1 9,44 333 2 7,68 269 3 8,29 261 212 Tabla A.V.10. Resultados obtenidos para el pH y la conductividad a temperatura ambiente del extracto lixiviado del test TCLP sobre el polvo de acería estabilizado con cemento y cal Relación Líquido/Sólido L/S = 0,4 L/S = 0,5 L/S = 0,6 Ensayo No. pH Conductividad (µS) 1 9,04 396 2 8,86 356 3 9,30 323 1 8,40 290 2 7,12 370 3 8,81 385 1 9,49 362 2 8,15 372 3 7,65 271 Obteniéndose en promedio los siguientes resultados: Tabla A.V.11. pH y conductividad de los sólidos estabilizados con cemento y cal Relación Líquido/Sólido Lixiviado resultante del proceso en columna Extracto lixiviado del análisis TCLP sobre el polvo de acería pH Conductividad (µS) pH Conductividad (µS) L/S = 0,4 7,65 ± 0,13 307 ± 44 9,07 ± 0,22 358 ± 37 L/S = 0,5 7,72 ± 0,81 294 ± 8 8,11 ± 0,88 348 ± 51 L/S = 0,6 8,47 ± 0,89 288 ± 39 8,43 ± 0,95 335 ± 56 ݔҧ ± σ (n = 3) L/S: Cociente entre la masa de líquido (lixiviado) y la masa de sólido (cemento + cal) 4. DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN A continuación se ejemplariza el cálculo de la resistencia a la compresión de los sólidos obtenidos a partir de la estabilización de los lixiviados generados por el polvo de acería. Esta propiedad se calcula con la aplicación de la ecuación siguiente a los datos resultantes de la aplicación del método 2.5.3.3. ܴൌ ܨெ௫ ܣௌ [ A.V.2 ] 213 Donde ܴ es la resistencia a la compresión del sólido estabilizado, ܨெ௫ es la carga máxima aplicada al bloque antes de su falla y ܣௌ es el área de la cara superior del sólido, asumiendo que éste tiene forma de cubo. En seguida se muestran los datos experimentales registrados para la determinación de la resistencia a la compresión de los sólidos estabilizados con las distintas formulaciones, en cuanto a tipo de lixiviado y relaciones masa de líquido respecto a masa de sólido (masa de cemento y cal). Tabla A.V.12. Datos experimentales obtenidos para la determinación de la resistencia a la compresión de los sólidos estabilizados con cemento y cal Líquido estabilizado Lixiviado resultante del proceso en columna Extracto lixiviado del análisis TCLP sobre el polvo de acería Relación L/S Largo (cm) Ancho (cm) Carga máxima (kN) L/S = 0,4 6,0 5,7 3,3 L/S = 0,5 5,4 6,0 2,5 L/S = 0,6 5,6 5,5 1,8 L/S = 0,4 5,9 5,9 3,0 L/S = 0,5 6,0 5,5 2,8 L/S = 0,6 5,0 5,7 1,5 L/S: Cociente entre la masa de líquido (lixiviado) y la masa de sólido (cemento + cal) Por lo tanto, aplicando la ecuación [ A.V.2 ] a los datos de la Tabla A.V.12, se determina que la resistencia a la compresión de los sólidos estabilizados es la que se muestra a continuación, en la Tabla A.V.13. Tabla A.V.13. Resistencia a la compresión de los sólidos estabilizados con cemento y cal Líquido estabilizado Lixiviado resultante del proceso en columna Extracto lixiviado del análisis TCLP sobre el polvo de acería Relación Líquido/Sólido Resistencia a la compresión (kN/m²) L/S = 0,4 964,91 L/S = 0,5 771,60 L/S = 0,6 584,42 L/S = 0,4 861,82 L/S = 0,5 848,48 L/S = 0,6 526,32 L/S: Cociente entre la masa de líquido (lixiviado) y la masa de sólido (cemento + cal) 214 ANEXO VI CRITERIOS DE ORDENAMIENTO Y ELEGIBILIDAD DE LOS RESIDUOS A SER CONFINADOS En la Tabla A.VI.1 se presentan a continuación los parámetros que deben cumplir los residuos para su disposición en celdas de confinamiento. Tabla A.VI.1. Criterios de ordenamiento y elegibilidad de los residuos a ser depositados en celdas de confinamiento Parámetro Unidad Valor permisible (mg/L) Humedad % <10 pH – 4 - 13 μS/cm <100 000 kPa >50 Arsénico mg/L <1,0 Plomo mg/L <2,0 Cadmio mg/L <0,5 Cromo mg/L <0,5 Cobre mg/L <10,0 Níquel mg/L <2,0 Mercurio mg/L <0,1 Zinc mg/L <10,0 Conductividad Resistencia a la compresión (Ruiz, 2003, p. 16) 215 ANEXO VII CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE LA PLANTA 1. DETERMINACIÓN DE LA TASA DE GENERACIÓN DEL RESIDUO La producción anual de la planta de reciclaje de chatarra es 160 000 t de acero, y se obtienen alrededor de 20 kg de polvo de acería por tonelada de acero fabricada. Así, la tasa de generación del residuo es 3 200 t/año. (Alvarez, 2010, p. 5) ݃݇ͲͲͲͳ ݐ ͳܽ ݇݃ ݉ሶ௩ ൌ ͵ʹͲͲ ൈ ൈ ൌ ͺǡͳʹ ͳݐ ݀ ܽ ͵ͷ݀ [ A.VII.1 ] Aproximando este valor al entero más cercano, se determina que la capacidad de la planta de tratamiento a diseñarse es: ሶࡼ࢜ ൌ ૢ 2. ࢍ ࢊ ESTIMACIÓN DE LA CANTIDAD DE SUELO AGRÍCOLA AFECTADO POR LA DEPOSICIÓN DE POLVO DE ACERÍA Y DEL VOLUMEN DE LIXIVIADO A TRATARSE En la literatura se indica que la eficiencia en la recolección de los polvos de una corriente gaseosa por parte del sistema de extracción depende del diámetro de los sólidos, pues las partículas más pequeñas tienen bajas velocidades de precipitación y por lo tanto son recolectados más difícilmente. (Geankoplis, 1998, pp. 927,928; McCabe et al., 1991, pp. 1040,1041). Para tamaños de partícula menores a 145 µm, valor que corresponde al d80 del polvo de acería, McCabe, Smith y Harriot (1991) reportan una eficiencia de recolección mínima de 99,9 % (p. 1041), de modo que en el peor de los casos la masa de polvo de acería que sale con el aire que se extrae del sistema de acopio de polvos es: 216 ݉ሶ௩ ൌ ͺǡͳʹ ݇݃ ͳͲͲ െ ͻͻǡͻ ݇݃ ൈ ൌ ͺǡ ݀ ͳͲͲ ݀ [ A.VII.2 ] Por lo tanto, la cantidad de polvo que especulativamente se depositó en el suelo de la zona aledaña durante los últimos 10 años de operación del horno de arco eléctrico de Navacero S.A. Lasso es 32 t, lo que equivale a 13 m³, según la densidad real del polvo de acería igual a 2,46 t/m³, valor reportado en la Tabla 3.1. Si se asume una distribución uniforme radial del polvo de acería alrededor del foco de contaminación, conformando una capa de 15 cm de espesor sobre el suelo agrícola no afectado, se tiene que el área que el desecho cubre es: ܣൌ ܸ௩ ͳ͵݉ଷ ͳͲͲܿ݉ ൌ ൈ ൌ ͺǡͶ݉ଶ ݁௩ ͳͷܿ݉ ͳ݉ [ A.VII.3 ] En cuanto a la estimación de la masa de suelo afectado, se van a considerar los primeros 50 cm de éste, a fin de trabajar con condiciones similares a las ensayadas en el presente trabajo. Bajo esta premisa, y considerando la densidad real de 1,77 t/m³ tabulada en la Tabla 3.1, el volumen y la masa de suelo afectado son: ܸௌ௨ ൌ ܣή ݁ௌ௨ [ A.VII.4 ] ݉ௌ௨ ൌ ߩோ ௌ௨ ή ܸௌ௨ [ A.VII.5 ] ܸௌ௨ ൌ ͺǡͶ݉ଶ ή ൬ͷͲܿ݉ ൈ ݉ௌ௨ ൌ ͳǡ ͳ݉ ൰ ՜ ࢂࡿ࢛ࢋ ൌ ǡ ૠ ͳͲͲܿ݉ ݐ ή Ͷ͵ǡ͵݉ଷ ՜ ࡿ࢛ࢋ ൌ ૠǡ ૡ࢚ ݉ଷ Por lo tanto, la masa de suelo afectada por la disposición no controlada de polvo de acería es 76,80 t. Por otro lado, como se advierte en la Tabla 3.10, el caudal de descarga de los lixiviados generados por el polvo de acería y percolados a través del suelo agrícola es, en promedio, 0,09 mL/h para una sección transversal de 28,27 cm², 2,46 kg de 217 suelo y 1,04 kg de polvo. Dado que el flujo de agua potable irrigada a la columna es teóricamente igual a la tasa de precipitación de la región cuyo suelo se empleó en el presente proyecto, se asume que el caudal de descarga de los lixiviados es el mismo en el área de transferencia que le corresponde, lo que implica que, para el área realmente afectada por la disposición inadecuada de polvo de acería, el flujo obtenido de los lixiviados es: ܳ௫ ௦Ó ൌ ܳ௫ ா௦௬௦ ൈ ൬ ܳ௫ ൌ ͲǡͲͻ ܣ௨ ൰ [ A.VII.6 ] ݉ܮ ͺǡͶ݉ଶ ͳܮ ࡸ ൈ൮ ൲ൈ ՜ ࡽࡸ࢞ ൌ ǡ ૠ ଶ ͳ݉ ݄ ͳͲͲͲ݉ܮ ࢎ ʹͺǡʹܿ݉ଶ ൈ ଶ ሺͳͲͲܿ݉ሻ ܳ௫ ൌ ʹǡͲ 3. ܣ ܮ ݉ଷ ݈݃ܽ ܮ ൌ ǡ ൌ ͳǡͻͶ ൌ ͷͳ͵ǡʹ ՜ ࡽࡸ࢞ ൎ ݉݁ݏ ࢋ࢙ ݀ ݉݁ݏ ݄ DETERMINACIÓN DE LA CANTIDAD DE CEMENTO Y CAL NECESARIOS PARA LA ESTABILIZACIÓN DE LOS LIXIVIADOS Dado que la relación L/S seleccionada para la estabilización de los lixiviados es 0,4 (igual a 80 mL de líquido con 200 g de sólido), y que el volumen de lixiviado a procesarse es 2 m³ mensuales, la masa de cemento y cal a utilizarse es: ܮ ܸ௫ ൌ ൌ ͲǡͶ ܵ ݉௧ା ʹ݉ଷ ൈ ͳͲͲͲܮ݉ͲͲͲͳ ܮ ൈ ͳܮ ͳ݉ଷ ൌ ݉௧ା [ A.VII.7 ] ͺͲ݉ܮ ՜ ࢋࢋ࢚ାࢇ ൌ ࢚ ͳ݇݃ ͳݐ ʹͲͲ݃ ൈ ൈ ͳͲͲͲ݃ ͳͲͲͲ݇݃ Como lo recomienda Anfacal (2012), la masa de cal respecto a la de cemento debe estar entre 20 a 30 %, (p. 1) 25 % en promedio, por lo que la masa de cemento y cal necesaria para la estabilización de 2 m³ de lixiviado es: 218 ݉௧ ݉ ൌ ͷݐ [ A.VII.8 ] ݉ Ȁ݉௧ ൌ Ͳǡʹͷ ͳǡʹͷ ݉ ڄ௧ ൌ ͷݐ ݉ ൌ ͷ ݐെ Ͷݐ [ A.VII.9 ] ՜ ՜ ࢋࢋ࢚ ൌ ࢚ ࢇ ൌ ࢚ 219 ANEXO VIII DISEÑO DE LOS EQUIPOS DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE LOS LIXIVIADOS 1. DIMENSIONAMIENTO DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO DEL LÍQUIDO LIXIVIADO 1.1. Determinación de las dimensiones del tanque Los datos para el diseño del tanque de almacenamiento del lixiviado son: a. Capacidad: 550 gal (2,1 m³) b. Material: Acero inoxidable 316 L La capacidad el tanque de almacenamiento viene dada por: ܸൌ ߨ ൈ ܦଶ ൈ ሺ ܮെ ʹ ή ܮ௧ െ ݈ܮ ሻ ்ܸ Ͷ [ A.VIII.1 ] Donde ܮ௧ es la altura de la tapa. Se seleccionaron tapas bridadas y cóncavas es- tándar, de modo que: ܮ௧ ൌ Ͳǡͳ ή ܦ ்ܸ ൌ ͲǡͶͳ ή ܦଷ ሾ݈݃ܽሿ [ A.VIII.2 ] [ A.VIII.3 ] El tanque posee un agitador, por lo cual se hace uso de la relación: ܮȀ ܦൌ ͳǡͶ ՜ ܮൌ ͳǡͶ ή ܦ [ A.VIII.4 ] Donde ܦes el diámetro interno, en ft. Por convención, el espacio libre ݈ܮ es: (Peters y Timmerhaus, 1991, p. 702) ݈ܮ ൌ ͳ͵ ݂ݐ ͳʹ [ A.VIII.5 ] 220 Entonces, reemplazando los datos en la ecuación [ A.VIII.1 ], se obtiene: ܸൌ ߨ ൈ ܦଶ ൈ ሺͳǡͶ ή ܦെ ʹ ή ሺͲǡͳ ή ܦሻ െ ݈ܮ ሻ ܸ௧ Ͷ ͷͷͲ݈݃ܽ ൌ [ A.VIII.6 ] ߨ ͳ͵ ǡͶͺ݈݃ܽ ൈ ܦଶ ൈ ൬ͳǡͶ ή ܦെ ʹ ή ሺͲǡͳ ή ܦሻ െ ൰ ݂ ݐଷ ൈ ͲǡͶͳ ή ܦଷ ݈݃ܽ Ͷ ͳ݂ ݐଷ ͳʹ ͷͷͲ ൌ ǡ ή ܦଷ െ ǡ͵ ή ܦଶ ՜ ܦൌ Ͷǡ݂ ݐൈ ͵ͲǡͶͺܿ݉ ͳ݉ ൈ ՜ ࡰ ൌ ǡ ͳͲͲܿ݉ ͳ݂ݐ ࡰ ൌ ǡ ܮൌ ͳǡͶ ή ሺͳǡͷ݉ሻ ՜ ܮ௧ ൌ Ͳǡͳ ή ሺ͵ͲǡͲܿ݉ሻ ՜ ࡸ ൌ ǡ ࡸ࢚ ൌ ǡ ൌ ࢉ El espesor del tanque se calculará con la siguiente ecuación matemática: ்݁௨ ൌ ܲ௦Ó ή ܦ ܥ ʹ ή ܭή ܧെ ܲ௦Ó [ A.VIII.7 ] Donde ܭes igual a 14 100 psi para el acero inoxidable (Perry y Green, 1999, p. 1345), mientras que, por convención, C es igual a 1/16 in y E es igual a 0,8. Dado que el tanque se va instalar en el sector de Lasso - Cotopaxi, donde la presión atmosférica es aproximadamente 0,72 atm, y que no se va a trabajar con ninguna condición especial de temperatura, la presión de trabajo es la presión atmosférica. Por lo tanto, el espesor del tanque de almacenamiento del lixiviado es: ்݁௨ ൌ ͳͶǡ݅ݏ ͳͲͲܿ݉ ͳ݅݊ ቁ ή ቀͳǡͷ݉ ൈ ൈ ቁ ͳ ͳܽ݉ݐ ͳ݉ ʹǡͷͶܿ݉ ݅݊ ͳͶǡ݅ݏ ͳ ቁ ʹ ή ሺͳͶͳͲͲ݅ݏሻ ή ሺͲǡͺሻ െ ቀͲǡʹܽ ݉ݐൈ ͳܽ݉ݐ ቀͲǡʹܽ ݉ݐൈ ்݁௨ ൌ ͲǡͲͻ݅݊ ൈ ʹǡͷͶܿ݉ ͳͲ݉݉ ൈ ՜ ࢋࢀࢇ࢛ࢋ ൌ ǡ ൎ ǡ ͳܿ݉ ͳ݅݊ 221 1.2. Determinación del espesor de la tapa El espesor de la tapa se determina con la siguiente ecuación: ்݁ ൌ Ͳǡͺͺͷ ܲ ڄ௦Ó ܦ ڄ ܥ ܧڄܭ ்݁ ͳͲͲܿ݉ ͳ݅݊ ͳͶǡ݅ݏ ቁ ͳ Ͳǡͺͺͷ ڄቀͲǡʹܽ ݉ݐൈ ͳܽ ݉ݐቁ ή ቀͳǡͷ݉ ൈ ͳ݉ ൈ ʹǡͷͶܿ݉ ݅݊ ൌ ሺͳͶͳͲͲ݅ݏሻ ή ሺͲǡͺሻ ͳ ்݁ ൌ Ͳǡͳͳ݅݊ ൈ 1.3. [ A.VIII.8 ] ʹǡͷͶܿ݉ ͳͲ݉݉ ൈ ՜ ࢋࢀࢇ࢛ࢋ ൌ ǡ ૡ ൎ ͳ݅݊ ͳܿ݉ Determinación de las dimensiones del agitador El agitador tendrá las siguientes características: a. Modelo: Hélice de 3 palas b. Velocidad: 400 rpm La relación entre el diámetro interno del reactor y el ancho de las palas ܦȀܦ es: ͳ ܦǡͷ݉ ܦ ൌ ͵ ՜ ܦ ൌ ൌ ՜ ࡰ ൌ ǡ ൌ ࢉ ͵ ͵ ܦ La altura del líquido es igual a: ܮ ൌ ܮെ ܮ௧ െ ݈ܮ ܮ ൌ ʹǡͳ݉ െ ͲǡʹͶ݉ െ [ A.VIII.9 ] ͳ͵ ͵ͲǡͶͺܿ݉ ͳ݉ ݂ ݐൈ ൈ ՜ ࡸ ൌ ǡ ͳʹ ͳ݂ݐ ͳͲͲܿ݉ Por lo tanto, la relación entre la altura del líquido y del ancho de las paletas es: 222 ܮ ͳǡͷ͵݉ ࡸ ൌ ՜ ൌ ǡ ܦ ࡰ Ͳǡͷ݉ Consecuentemente, la relación entre la altura del líquido y el “antes de las paletas” está dentro del rango permitido (2,7 a 3,9). (Peters y Timmerhaus, 1991, p. 539) Es así que la altura desde el fondo del tanque hasta la turbina es: ݖ ൌ ͳǡ͵ ܦ ڄ ൌ ͳǡ͵ ڄͷͲܿ݉ ൌ ͷܿ݉ [ A.VIII.10 ] Finalmente, la altura de la pala es: ܮ ൌ Ͳǡʹͷ ή ܦ [ A.VIII.11 ] ܮ ൌ Ͳǡʹͷ ή ሺͷͲܿ݉ሻ ՜ ࡸࡼࢇࢇ ൌ ǡ ࢉ 1.4. Determinación de la potencia del motor El número de Reynolds de un líquido en agitación se determina con la ecuación: ܰ ή ܦଶ ή ߩ௫௩ௗ ܴ݁ ൌ ߤ௫௩ௗ [ A.VIII.12 ] Donde N es la velocidad de agitación, igual a 400 rpm. En cuanto a las propiedades termofísicas de los lixiviados, se va a asumir que éstas son iguales a las del agua a 20 ºC, teniéndose por lo tanto: ݇݃ ݊݅݉ͳ ݒ݁ݎ ቀͶͲͲ ݉݅݊ ൈ ቁ ή ሺͲǡͷ݉ሻଶ ή ൬ͳͲͲͲ ଷ ൰ Ͳݏ ݉ ܴ݁ ൌ ՜ ࡾࢋ ൌ ǡ ૠ ݇݃ ͳ ൈ ͳͲିଷ ݉ ή ݏ A partir de este valor del número de Reynolds, y con curvas que aparecen en bibliografía para el consumo de energía de diversos agitadores (Perry y Green, 1999, p. 1689), se obtiene que ܰ es 0,30. 223 Para determinar la potencia del eje, se emplea la siguiente ecuación: ܲா ൌ ܰ ή ܰ ଷ ή ܦହ ή ߩ௫௩ௗ [ A.VIII.13 ] Obteniéndose el siguiente valor: ܲா ݇݃ ݊݅݉ͳ ݒ݁ݎଷ ൈ ൰ ή ሺͲǡͷ݉ሻହ ή ͳͲͲͲ ଷ ൌ Ͳǡ͵Ͳ ή ൬ͶͲͲ ݉ Ͳݏ ݉݅݊ ࡼࡱࢋ ൌ ૠૠૠǡ ૠૡࢃ ൌ ǡ ૠૡࢃ La relación entre la potencia del motor y la potencia del eje es: ܲெ௧ ൌ ܲா ʹǡͺܹ݇ ൌ ൌ ͵ǡʹܹ݇ ൌ Ͷǡ͵ͺܲܪ Ͳǡͺͷ Ͳǡͺͷ [ A.VIII.14 ] Por lo tanto, el motor que en la práctica se requiere para la agitación de los lixiviados recolectados en el tanque de almacenamiento es: ࡼࡹ࢚࢘ ൌ ǡ ࢃ ൌ ǡ ࡴࡼ 2. DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA DE BOMBEO DE LIXIVIADOS Para el bombeo de los lixiviados desde el tanque de almacenamiento hacia la máquina mezcladora se empleará una bomba centrífuga de la siguiente potencia: ܲ ൌ ͵ ή ߩࡸ࢞࢜ࢇࢊ ή ܳ ή ܪ ݊ [ A.VIII.15 ] El caudal de la bomba centrífuga seleccionada, cuyas características se presentan en el Anexo X (punto 3, página 235), es 1,2 m³/h. 224 En cuanto a la altura de bombeo, el punto final del transporte le corresponde a la máquina mezcladora, la cual se debe ubicar 1 m por encima de la máquina de vibro - compactación, la misma que tiene una altura de al menos 1 m, incluida la distancia al tablero, según lo explicado en el punto 3.5.5. Dado que el punto de alimentación de la bomba se va a ubicar en la base del tanque de almacenamiento, el líquido se debe trasladar por lo menos 2 m cuesta arriba, siendo ésta la altura de bombeo estimada. Como también se observa en el catálogo, a esta altura de bombeo le corresponde un rendimiento de 70 %, de modo que su potencia es: ܲ ൌ ͵ ή ͳͲͲͲ ݇݃ ݉ଷ ͳ݄ ͳ݉݅݊ ή ൬ͳǡʹ ൈ Ͳ݉݅݊ ൈ Ͳ ݏ൰ ή ሺʹ݉ሻ ଷ ݄ ݉ Ͳǡ ࡼ࢈ࢇ ൌ ૢǡ ࢃ ൌ ǡ ࢃ ൌ ǡ ࡴࡼ Asimismo, con base en el caudal de operación de la bomba escogida, el tiempo de bombeo necesario para el transporte de los lixiviados desde el tanque de almacenamiento hacia la máquina mezcladora es: ݐ ൌ ʹ݉ଷ ൌ ͳǡ݄ ൌ ͳͲͲ݉݅݊ ݉ଷ ͳǡʹ ݄ [ A.VIII.16 ] Seleccionándose la bomba centrífuga Saci, modelo K 5 - T, de 1,2 m³/h de flujo. 3. DIMENSIONAMIENTO DE LO S SILOS DE ALMACENAMIENTO DE CEMENTO Y CAL La planta va a disponer de un stock de un mes, a fin de que una vez consumidos los reactivos para la estabilización, en los silos de almacenamiento quede una cantidad de material disponible para el próximo mes, durante el cual los tanques se volverán a llenar. Así, las masas a acopiarse son 8 t de cemento y 2 t de cal. 225 La densidad real y el costo del cemento y la cal, materias primas para la estabilización de los lixiviados, se muestran a continuación en la Tabla A.VIII.1. Tabla A.VIII.1. Densidad real del cemento y la cal Sustancia Densidad aparente (t/m³) Costo (USD) Cemento* 3,02 7,64/50 kg Cal** 2,70 4,00/25 kg * (Holcim Ecuador S.A., 2012, p. 11) ** (Lacec Cia. Ltda., 2010, p. 1) Por lo tanto, el volumen de cemento y cal a almacenarse mensualmente es: ܸ௧ ൌ ܸ ͺݐ ݐ ͵ǡͲͳ ଷ ݉ ʹݐ ൌ ݐ ʹǡͲ ଷ ݉ ՜ ܸ௧ ൌ ʹǡͶ݉ଷ ՜ ܸ ൌ ͲǡͶ݉ଷ ՜ ՜ ܸௌ ௧ ൌ ʹǡͶ݉ଷ ܸௌ ൌ ͲǡͶ݉ଷ En este caso se diseñarán silos de almacenamiento de forma cónica, cuya representación se muestra a continuación, en la Figura A.VIII.1. ܮ ߠ ݎ Figura A.VIII.1. Forma de los silos de almacenamiento de cemento y cal De acuerdo a la nomenclatura de la Figura A.VIII.1, el volumen viene dado por: ܸௌ ൌ ߨ ଶ ߨ ή ݎௌ ή ܮௌ ൌ ή ܦଶ ή ܮ ͵ ͳʹ ௌ ௌ ܮௌ ൌ ͳǡͷ ܦௌ [ A.VIII.17 ] [ A.VIII.18 ] 226 ܸௌ ൌ ߨ ଷ ή ܦଶ ή ሺͳǡͷ ή ܦௌ ሻ ൌ Ͳǡͳʹͷߨ ή ܦௌ ͳʹ ௌ య ͺ ܦௌ ൌ ඨ ή ܸௌ ߨ య ͺ ܦௌ ௧ ൌ ඨ ή ሺʹǡͶ݉ଷ ሻ ൌ ǡ ૢ ߨ య ͺ ܦௌ ൌ ඨ ή ሺͲǡͶ݉ଷ ሻ ൌ ǡ ߨ [ A.VIII.19 ] [ A.VIII.20 ] ՜ ܮௌ ௧ ൌ ͳǡͷ ή ͳǡͻ݉ ൌ ǡ ૡ ՜ ܮௌ ൌ ͳǡͷ ή ͳǡʹ݉ ൌ ǡ ૢ 227 ANEXO IX EVALUACIÓN ECONÓMICA DE LOS PROCESOS DE DEPURACIÓN DE LIXIVIADOS 1. DETERMINACIÓN DE LOS GASTOS FINANCIEROS Para el financiamiento de la construcción e implementación de la planta de tratamiento de los lixiviados se propone realizar un préstamo que cubra la mitad de la inversión total, siendo la otra mitad pagada por los socios de la empresa. Dado que resulta conveniente un plazo de préstamo de 10 semestres, con un interés anual de 18 % según las regulaciones bancarias actuales, se recomienda solicitar cuatro semestres de gracia. En ese caso, los intereses que se pagarán durante los cuatro primeros semestres serán: ܫൌ ܲ ή ݅ [ A.IX.1 ] Donde ܲ es el capital a prestarse, $ 117 116,15 en este caso, e ݅ es la tasa de in- terés semestral, igual 9 %. ܫൌ ̈́ͳͳͳͳǡͳͷ ή ͲǡͲͻ ՜ ࡵ ൌ ̈́ǡ Mientras que la cuota semestral de pago a partir del quinto semestre es: ܴൌ ܲή݅ ܫ ൌ ͳ ͳ ͳെ ͳ െ ሺͳ ݅ሻ ሺͳ ݅ሻ [ A.IX.2 ] Donde ݊ es igual a 6, y representa el número de semestres totales de plazo, que realmente son 10, pero se excluyen los cuatros semestres de gracia. Entonces: ܴൌ ̈́ͳͲͷͶͲǡͶͷ ՜ ࡾ ൌ ̈́ૠǡ ͳ ͳെ ሺͳ ͲǡͲͻሻሺଵିସሻ 228 2. COSTO TOTAL Como se indica en la ecuación [ A.IX.3 ], el costo total es igual a la suma del capital de operación, cuyo valor se presenta en la Tabla 3.39, y los gastos financieros. ்ܥൌ ܥ௧ௗ× ீܥ௦௧௦௦ [ A.IX.3 ] ்ܥൌ ̈́ʹͶͲͷǡ͵Ͳ ̈́ʹͳͲǡͷͳ ՜ ࢀ ൌ ̈́ૠǡ ૡ 3. COSTO POR UNIDAD DEL LIXIVIADO TRATADO El costo por unidad de efluente tratado es igual a la relación entre el costo total y la producción semestral, como se demuestra con la siguiente ecuación: ܥ ൌ ்ܥ ܳ௫ [ A.IX.4 ] ̈́ͷͲͳʹǡͺͲ ݁ݎݐݏ݁݉݁ݏ ܥ ൌ ଷ ݉ ݉݁ݏ݁ݏ ʹ ݉݁ ݏൈ ͳ݁ݎݐݏ݁݉݁ݏ ࢁ ൌ 4. 4.1. ̈́ǡ ૠ ̈́ǡ ૡ ൌ ሺ࢙ࢋࢋ࢙࢚࢘ࢋሻ ሺࢊÀࢇሻ INDICADORES ECONÓMICOS Punto de equilibrio A continuación se resumen, en la Tabla A.IX.1, los datos necesarios para el cálculo del punto de equilibrio del presente proyecto. 229 Tabla A.IX.1. Datos para el cálculo del punto de equilibrio Costos fijos (USD) Costos variables (USD) Materiales directos 4 820,59 Mano de obra 13 200,00 Depreciación 3 904,00 Reparación y mantenimiento 195,20 Suministros Imprevistos Carga fabril Gastos financieros Costos totales semestrales 671,95 313,56 26 107,51 43 720,26 5 492,54 A partir de estos datos, el punto de equilibrio se calcula aplicando la ecuación: ܥி ܯா ൌ ൬ ൰ ή ͳͲͲΨ ݊ܫெ െ ܥ [ A.IX.5 ] Donde ܯா es el porcentaje de lixiviado tratado para alcanzar el punto de equilibrio, ܥி son los costos fijos semestrales, ܥ son los costos variables semestrales, e ݊ܫெ son los “ingresos percibidos” por concepto de multas. Por lo tanto: ̈́Ͷ͵ʹͲǡʹ ቇ ή ͳͲͲΨ ՜ ࡹࡱ ൌ ǡ Ψ ܯா ൌ ቆ ̈́ͶͻʹʹǡͶͲ െ ̈́ͷͶͻʹǡͷͶ 4.2. Retorno sobre la inversión Considerando que los ingresos netos semestrales y los costos totales son constantes en los años de vida útil del proyecto, se tiene: ܴ ൌ ݊ܫெ െ ்ܥ [ A.IX.6 ] Donde ܴ es el ingreso bruto semestral y ்ܥes el costo total semestral. Entonces: ܴ ൌ ̈́ͶͻʹʹǡͶͲ െ ̈́ͷͲͳʹǡͺͲ ՜ ࡾ ൌ െ̈́ૡǡ 230 ܴ ൌ ܴ െ ܦ [ A.IX.7 ] Donde ܦes la depreciación semestral, $ 3 904,00 en este caso. ܴ ൌ െ̈́ͳͶͺǡͶͲ െ ̈́͵ͻͲͶǡͲͲ ՜ ࡾࡰ ൌ െ̈́ૢǡ ܶ ൌ ܴ ή ݐ [ A.IX.8 ] Donde ܶ corresponde a los impuestos y ݐes la tasa de impuestos igual a 30 %. ܶ ൌ ̈́ͷ͵ͻͲǡͶͲ ή Ͳǡ͵Ͳ ՜ ࢀ ൌ െ̈́ૠǡ ܴி ൌ ܴ െ ܶ [ A.IX.9 ] Siendo ܴி es el flujo de caja, cuyo valor es: ܴி ൌ െ̈́ͳͶͺǡͶͲ െ ሺെ̈́ͳͳǡͳʹሻ ՜ ࡾࡲ ൌ ̈́ǡ ૠ Obtenido el flujo de caja, se determina la tasa de retorno con la ecuación: ݅ா ൌ ܴி ή ͳͲͲΨ ்ݒ݊ܫ [ A.IX.10 ] Donde ்ݒ݊ܫes la inversión total, cuyo valor es $ 234 232,30 según se presenta en la Tabla 3.40, y ݅ா es la tasa de retorno. ݅ா ൌ ̈́ͳ͵Ͳǡʹ ή ͳͲͲΨ ՜ ࡱ ൌ ǡ Ψ ̈́ʹ͵Ͷʹ͵ʹǡ͵Ͳ Por lo tanto, el proyecto es viable económicamente. 231 ANEXO X CATÁLOGOS DE LOS EQUIPOS SELECCIONADOS 1. MÁQUINA MEZCLADORA DE CEMENTO Figura A.X.1. Especificaciones de la máquina mezcladora DasWell, modelo JZR350DW (Daswell Maquinaria Co. Ltda., 2012, p. 3) Para el presente proyecto se seleccionó la máquina mezcladora DasWell, modelo JZR350DW, de 14 m³/h de capacidad, 560 L de carga y 350 L de descarga, con un motor eléctrico de 9,7 kW y una bomba de agua de 0,75 kW de potencia. 232 2. MÁQUINA DE VIBRO - COMPACTACIÓN Figura A.X.2. Especificaciones de la máquina de vibro - compactación (Ingenieria VDM Ltda., 2008, p. 1) 3. BOMBA CENTRÍFUGA Figura A.X.3. Especificaciones de las bombas centrífugas Saci, serie K (Saci, 2013, p. 7) 233 4. ASPERSOR Figura A.X.4. Especificaciones de los aspersores Rain Bird, serie 3504 (Rain Bird, 2002, p. 25) 5. TECLE Figura A.X.5. Especificaciones de los tecles Yale Alba (Munelec, 2012, p. 1)
