1531 UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ

1531
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ
FACULTAD DE INGENIERÍA
CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y ESTUDIOS DE
POSGRADO
TEMA DE TESIS
“TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES PARA LA ELIMINACIÓN
DE ARSÉNICO MEDIANTE PROCESOS BIOLÓGICOS”
A CARGO DE:
DRA. MARISOL GALLEGOS GARCÍA
REALIZADO POR:
ING. GLORIA YVETTE MONTALVO ESPINOZA
“TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES PARA LA ELIMINACIÓN DE
ARSÉNICO MEDIANTE PROCESOS BIOLÓGICOS”
El agua cubre aproximadamente el 71% de la superficie del planeta, esta
proporción ayuda a regular el clima, diluye y degrada parte de los residuos y forma
un hábitat importante para muchos de los seres vivos del mundo. Es bien sabido
que solamente el 0.003% del volumen total del agua de la tierra está disponible
para nosotros como humedad del suelo, aguas subterráneas utilizables, vapor de
agua, lagos y ríos. El agua dulce que empleamos nos llega en primer lugar como
resultado de la precipitación y la usamos, entre otras cosas, para la agricultura,
producción de energía, procesos industriales, limpieza y remoción de desechos,
usos domésticos y municipales. De modo que con el aumento de la población, la
urbanización y la industrialización, el volumen de aguas residuales que requieran
de tratamiento irá creciendo rápidamente. Todo esto repercutirá en graves
problemas de abastecimiento de agua potable, que empiezan a generarse en
varios países del mundo. Al momento, la principal fuente de abastecimiento de
agua es mediante la extracción de agua subterránea, pero su explotación
indiscriminada produce varios problemas, como el agotamiento del acuífero, su
hundimiento, se puede presentar intrusión salina o contaminarse debido a las
actividades industriales y agrícolas, fosas sépticas, entre otras. Además de que el
agua extraída no se repone en su totalidad, lo cual va abatiendo los niveles del
agua en los acuíferos. 7
En México, el abastecimiento de agua potable a la población se realiza
mayormente mediante la extracción de agua subterránea. El arsénico y el flúor
han sido reconocidos mundialmente como los contaminantes inorgánicos más
graves en el agua potable. Tales elementos se han encontrado de manera
abundante en el subsuelo del territorio mexicano. 1
El arsénico se encuentra en la corteza terrestre en un nivel medio de 2 – 5 ppm.
La combustión del carbón, introduce grandes cantidades de arsénico en el medio
1Armienta,
7Miller,
M. A., 2008
G. T., 2002
ambiente, gran parte del cual alcanza las aguas naturales. Los compuestos de
este elemento son notables por su actividad como venenos, debido a esto los
plaguicidas o pesticidas se formaban de compuestos muy tóxicos de arsénico. Los
más comunes son el insecticida arseniato de plomo, Pb 3(AsO4)2, y el herbicida
arseniato de calcio, los cuales contienen As(V), y los herbicidas arsenito de sodio,
Na3AsO3, y el Verde de París, Cu3(AsO3)2, que contienen As(III). El arseniato de
cobre se utiliza para preservar la madera y algunos de los derivados metilados del
ácido arsénico también se utilizan como herbicidas.
4
Otra fuente importante de arsénico son los “jales” o “colas” de minas. A partir de
su emisión no intencionada durante la extracción y fundición de oro, plomo, cobre
y níquel, el arsénico producido como subproducto del refino o refinación de dichos
minerales, excede su demanda comercial y se acumula como material de
desecho. El lixiviado de minas de oro abandonadas, puede ser una fuente
significativa de contaminación por arsénico en sistemas hidrosféricos.
Se ha demostrado que el arsénico emitido por las plantas de fundición de cobre en
Bulgaria, ha producido un aumento tres veces superior en defectos de nacimiento
en bebés nacidos de mujeres residentes de la región. El arsénico es conocido por
ser carcinógeno en seres humanos, la inhalación y la ingestión de arsénico
produce cáncer de pulmón, de piel, de hígado, de riñón y de vejiga. En
Bangladesh, se observaron numerosos casos de lesiones epidérmicas inducidas
por el arsénico, caracterizadas por cambios de pigmentación, predominantemente
en la parte superior del pecho, los brazos, las piernas y queratosis de las palmas
de las manos y las plantas de los pies. Estos efectos eran característicos del
envenenamiento con arsénico, lo que llevó al descubrimiento de que el agua
potable contaminada con arsénico, proveniente de los pozos construidos, era la
responsable. El envenenamiento agudo con arsénico puede ser el resultado de la
ingestión de más de 100 mg del elemento. Y es peligroso por su tendencia a
bioacumularse; así, un envenenamiento crónico ocurre con la ingestión continuada
de cantidades pequeñas de arsénico en un período largo de tiempo. 4
4Kirk,
R. E., 1961
En Estados Unidos, la Agencia de Protección al Ambiente estableció que para el
agua potable, el nivel máximo de contaminación por arsénico es de 10 µg/l.5
Las condiciones geoquímicas que resultan en la contaminación del agua con
arsénico están a menudo asociadas con la presencia de hierro, azufre y materia
orgánica en depósitos producidos por el agua. El hierro liberado de las rocas
erosionadas por el agua de río forma depósitos de óxido de hierro en las
superficies de las partículas de rocas. El óxido de hierro acumula arsénico y lo
concentra a partir del agua de río. Estas partículas son enterradas junto con la
materia orgánica biodegradable en los sedimentos y el hierro (III) insoluble de los
óxidos férricos se convierte en hierro (II) soluble por las condiciones reductoras
anaerobias bajo las cuales se biodegrada la materia orgánica. Esto libera el
arsénico enlazado, que puede entrar en el agua de los pozos.2
Otros procesos geoquímicos en diferentes zonas de un acuífero son posibles
fuentes de contaminación por arsénico. La desorción de arsénico retenido en las
arcillas puede movilizar el arsénico a las aguas subterráneas, la disolución y
desorción de óxidos de hierro y manganeso también aumentaría el contenido de
arsénico en el agua. La oxidación de los sulfuros también puede liberar arsénico
en el acuífero. Pruebas geoquímicas e hidrogeológicas mostraron que la oxidación
de la arsenopirita y la disolución de escorodita liberan el arsénico presente en el
acuífero de forma natural y contamina el acuífero. La explotación de pozos
profundos promueve este proceso permitiendo la interacción del oxígeno con los
minerales.
Niños expuestos a arsénico y plomo en la superficie del suelo en Villa de la Paz,
San Luis Potosí, mostraron daños en el ADN de la sangre, debido al riego de los
suelos agrícolas realizado con agua de mina contaminada con arsénico y metales
tóxicos.1
1Armienta,
M. A., 2008
B. 2001
5Luo, Q., 2008
2Colin,
Debido a que los niveles de arsénico encontrados en las aguas subterráneas
destinadas al consumo humano son elevados, surge la inquietud y preocupación
por encontrar un medio eficaz para su eliminación de los efluentes, y procurar un
agua de buena calidad, tanto para consumo inicial como en el tratamiento de las
aguas residuales para su reutilización.
Las aguas residuales típicas contienen materia orgánica que demanda oxígeno
para su biodegradación, sedimentos, grasas, aceites, espumas, bacterias
patógenas, virus, sales, nutrientes de algas, plaguicidas, compuestos orgánicos
refractarios, metales pesados y una variedad asombrosa de objetos flotantes. El
trabajo de la planta de tratamiento de efluentes residuales consiste en eliminar
estos materiales tanto como sea posible.6
Se usan varias características para describir las aguas residuales, como la
turbidez, los sólidos en suspensión (en ppm), los sólidos totales disueltos (en
ppm), la acidez (concentración del ión H+ o pH) y el oxígeno disuelto (en ppm de
O2). La demanda bioquímica de oxígeno se usa como una medida de las
sustancias que demandan oxígeno para su degradación.
Los procesos actuales para el tratamiento de agua residual pueden dividirse en:
primario, secundario y terciario.
El tratamiento primario del agua residual consiste en la eliminación de la materia
insoluble como arenas, grasas y espumas del agua; esto se inicia con un cribado,
para eliminar los sólidos grandes y se sigue con la sedimentación primaria, que
elimina tanto los sólidos sedimentables como los flotantes.
El tratamiento secundario del agua residual se diseña para eliminar esa materia
orgánica medida como Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO), aprovechando el
mismo tipo de procesos biológicos que de otra manera consumirían el oxígeno del
agua a la que lleguen esas aguas residuales.
6Manahan,
S. E., 2007
En el tratamiento terciario de efluentes residuales se remueven los contaminantes:
(1) sólidos en suspensión, (2) materiales inorgánicos disueltos y (3) compuestos
orgánicos disueltos, incluyendo la importante categoría de los nutrientes de algas. 6
Metales pesados se encuentran en las aguas residuales de varios procesos
industriales y, debido a su toxicidad, sus concentraciones deben reducirse a
niveles muy bajos antes de ser descargados a las aguas residuales. Se usan
varias estrategias para la remoción de los metales pesados.
El tratamiento con cal, precipita los metales pesados como hidróxidos insolubles,
sales básicas o coprecipitados con el carbono de calcio o el hidróxido de
hierro(III). Este proceso no remueve completamente los metales, por lo que su
eliminación debe ayudarse con la adición de sulfuros (la mayoría de los metales
pesados tienen afinidad por los sulfuros).
La cloración fuerte es frecuentemente necesaria para romper los ligandos
solubilizantes de los metales. La precipitación con cal no permite normalmente la
recuperación de los metales y, a veces, es indeseable desde el punto de vista
económico.
La electrodeposición (reducción de iones metálicos a metal por electrones en un
electrodo), la ósmosis inversa y el intercambio iónico se emplean frecuentemente
para la eliminación de metales.
La extracción con disolventes que emplea sustancias quelantes orgánicas solubles
es también eficaz en la remoción de muchos metales. Puede emplearse la
cementación, un proceso en el cual un metal se deposita por la reacción de su ión
con un metal más fácilmente oxidable.
6Manahan,
S. E., 2007
La adsorción en carbón activo o activado elimina eficazmente algunos metales del
agua, a nivel de partes por millón. A veces se sorbe un agente quelante sobre las
partículas de carbón para incrementar la remoción de metales.
Aún cuando no han sido diseñados específicamente para la eliminación de
metales pesados, la mayoría de los procesos de tratamiento de aguas residuales
remueven cantidades apreciables de los metales pesados más problemáticos que
se encuentran en las aguas residuales.
Varios procesos de tratamiento físico-químico eliminan eficazmente los metales
pesados de las aguas residuales. Uno de estos tratamientos es la precipitación
con cal seguida por filtración con carbón activado. Esta filtración también puede
ser precedida por el tratamiento con cloruro de hierro(III) para formar un flóculo de
hidróxido de hierro(III), que elimina eficazmente metales pesados. Similarmente el
alumbre, que forma hidróxido de aluminio, puede agregarse antes de la filtración
con carbón activado, aunque uno de los problemas de los precipitados de aluminio
es que no se deshidratan fácilmente y, además, pueden ser tóxicos para
diferentes especies si son depositados en suelos sin un control cuidadoso.
La forma del metal pesado tiene un fuerte efecto en la eficiencia de la eliminación
de metales. Por ejemplo, el cromo(VI) es normalmente más difícil de remover que
el cromo(III). La quelación puede prevenir la eliminación de metales por
solubilización.
Anteriormente, la remoción de los metales pesados era un beneficio marginal de
los procesos de tratamiento de aguas residuales. En la actualidad, sin embargo,
se está dando más consideración a los parámetros de diseño y operación que
refuerzan específicamente la eliminación de los metales pesados como parte del
tratamiento de las aguas residuales.
Debido a que la asimilación de los elementos metálicos tiene lugar en el mundo
microbiano, los métodos biológicos y microbiológicos ofrecen alternativas más
económicas para la eliminación y recuperación de metales y metaloides de
soluciones acuosas contaminadas. 5
Los microorganismos – bacterias, hongos, protozoos y algas – son catalizadores
vivos que permiten que ocurra un inmenso número de procesos químicos en el
agua y en el suelo. La mayoría de las reacciones químicas importantes que tienen
lugar en el agua, particularmente aquellas que involucran a la materia orgánica y
los procesos de oxidación – reducción, es llevada a cabo por las bacterias. Los
microorganismos son los responsables de la formación de muchos depósitos
minerales y sedimentos.
En el tratamiento biológico pueden usarse sistemas anaerobios o aerobios, de
biopelícula o floculados, para eliminar los desechos orgánicos de las aguas
residuales. Puede ser necesario adaptar los microorganismos a la degradación de
constituyentes que normalmente no son biodegradables o que requieren de
muchas horas de adaptación para metabolizar ciertos contaminantes. Deben
considerarse los posibles riesgos de los lodos del biotratamiento, ya sea porque
contengan niveles excesivos de iones de metales pesados, organismos patógenos
u otros contaminantes peligrosos.6
Uno de los procesos de tratamiento biológico de aguas residuales más simples es
el filtro precolador, en el que el agua residual se rocía encima de rocas u otro
material de soporte sólido cubierto con una capa de microorganismos. La
estructura del filtro precolador es tal que se permite el contacto con el agua
residual con el aire y la degradación de la materia orgánica ocurre por la acción de
los microorganismos en presencia del oxígeno del aire.
Los reactores biológicos rotatorios (conocidos como biodiscos), que también
tienen a los microorganismos formando biopelículas, consisten en grupos de
5Luo
Q., 2008
S. E. 2007
6Manahan,
grandes discos de plástico montados cerca unos de los otros en un eje rotatorio.
El dispositivo gira permitiendo que la mitad de cada disco esté sumergida en el
agua residual y la otra mitad esté expuesta al aire. Los discos, acumulan capas
delgadas de biomasa adherida que degrada la materia orgánica en el agua
residual. El oxígeno es absorbido por la biomasa y por la capa de agua residual
adherida a ella durante el tiempo que la biomasa está expuesta al aire. El eje gira
constantemente, de manera que la porción sumergida de los discos está siempre
cambiando y permitiendo la transformación del material biodegradable en CO 2 y
nuevos microorganismos.
El proceso de lodos activados, es probablemente el más popular de todos los
procesos de tratamiento de aguas residuales. Antes del tratamiento, en las aguas
residuales existe una cierta cantidad de lodo que debe segregarse. Este lodo
incluye desechos humanos, basura molida y particulada, residuos orgánicos, cieno
y material particulado inorgánico procedente de la escorrentía del agua de
tormentas y desechos orgánicos e inorgánicos de fuentes comerciales e
industriales.
Todos estos lodos se someten a digestión o degradación anaerobia en un reactor
diseñado para permitir que ocurra la acción bacteriana en ausencia de aire. Esto
reduce la masa y el volumen del lodo e idealmente da lugar a la formación de un
humus estabilizado y un gas rico en metano. También se destruyen en el proceso
agentes portadores de enfermedades, como los organismos patógenos aerobios.
Después de la digestión, el lodo es generalmente acondicionado y espesado para
concentrarlo, estabilizarlo y finalmente desecarlo.
La desecación del lodo se emplea para convertirlo de un material esencialmente
líquido a un sólido húmedo que no contiene más de aproximadamente 85% de
agua. Esto puede lograrse con lechos de secado que consisten en capas de arena
y grava. También pueden emplearse dispositivos mecánicos, incluso la filtración a
vacío, la centrifugación y los filtros prensa. Finalmente, se requiere la evacuación
del lodo; las alternativas principales son la dispersión en el suelo y la incineración.
La evacuación de estos lodos es un problema importante debido a su contenido de
metales pesados tóxicos. La recuperación de los metales es una alternativa para
estos lodos. Es necesario también, tanto estar consciente de los microorganismos
patógenos presentes en el lodo del tratamiento de las aguas residuales como
encontrar un medio para reducir los riesgos causados por su presencia.
El tratamiento biológico de aguas residuales elimina eficazmente los metales del
agua. Estos metales se acumulan en el lodo del tratamiento secundario biológico,
por lo que debe prestarse una cuidadosa atención a la evaluación, estabilización y
disposición controlada del lodo.
Considerando que los procesos metabólicos por los que las bacterias obtienen su
energía involucran reacciones de oxidación – reducción, el proceso biológico
anaerobio de sulfato – reducción es una alternativa para el tratamiento de
efluentes con alto contenido de sulfatos y metales. Debido a las condiciones de
laboratorio se trabaja mediante un proceso anaerobio, en donde en ausencia de
oxígeno, el ion sulfato actúa como aceptor de electrones y así, en la oxidación de
la materia orgánica, las bacterias Desulfovibrio pueden reducir el ión SO 42- a H2S.
El ión sulfato es uno de los aniones más abundantes en las aguas naturales; por
esta razón, en las aguas de consumo el límite máximo recomendado es de 250
mg/l.3
El proceso de sulfato – reducción se puede entender mediante el ciclo biológico
del azufre. En dicho proceso la bacteria crea un ambiente reductor en el cual los
metales y metaloides pueden ser reducidos a su más baja forma de valencia. El
arsenato (As5+) es reducido a arsenito (As3+) que a su vez reacciona con el sulfuro
para formar un precipitado insoluble como As2S3 (s) o AsS (s).
3Gallegos,
G. M., 2009
La reducción biológica de sulfato se utiliza ampliamente para el tratamiento de
aguas residuales de industrias como la de minería, pulpa y papel, y textiles. Es
ideal para tratar las aguas residuales que contienen metales pesados, porque
elimina al mismo tiempo sulfatos y metales, a través de la formación de sulfuros
metálicos.9
Este proceso es realizado en sistemas abiertos o cerrados conocidos como
reactores. Por lo general, la precipitación y separación de sulfuros metálicos se ha
efectuado en procesos de una o dos etapas. En los procesos de una sola etapa se
obtiene una mezcla de la biomasa y los sulfuros metálicos, para después realizar
la separación, lo cual es una desventaja. Mientras que al utilizar procesos en
etapas separadas que permite la recuperación de minerales valiosos sin la
presencia de biomasa; pero una desventaja son sus altos costos. Para el proceso
de una sola etapa se han utilizado reactores de lecho de lodos de flujo ascendente
y reactores de lecho fluidizado. Los reactores sulfatorreductores se están
convirtiendo en una alternativa a los procesos químicos convencionales para el
tratamiento de aguas residuales ácidas con contenido de metales, gracias a su
bajo costo y alta eficiencia.8
El trabajo de eliminación del arsénico del agua es de vital importancia, dado que
nos encontramos en un lugar donde abunda este elemento y que puede ser tóxico
si la población sigue en expuesta. Y ya que afecta directamente a la salud de las
personas es algo que no debe hacerse esperar.
8Sahinkaya
E., 2003
Teekayuttasakul, P., 2008
9
Referencias:
1Armienta
M. A., Segovia N. 2008. Arsenic and fluoride in the groundwater of
Mexico. Instituto de Geofísica. UNAM. Environ Geochem Health 30:345-353.
2Colin,
B. 2001. Química Ambiental. 2a. edición. University of Western Ontario.
Editorial Reverté.
3Gallegos
García Marisol, 2009. Procesos biológicos de sulfatorreducción en
biopelículas para la precipitación de metales. Doctor en Ciencias Aplicadas.
Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica, A.C. 104 págs.
4Kirk
Raymond E., Othmer Donald F., Scott Janet D. y Standen A. 1961.
Enciclopedia de Tecnología Química, Tomo II. 1ª edición en español.
5Luo
Q, Tsukamoto T. K., Samsow K. L., Miller G. C. 2008. Arsenic, Selenium, and
Sulfate Removal using an Ethanol – Enhanced Sulfate – Reducing Bioreactor.
Mine Water Environ 27:100 – 108.
6Manahan
Stanley E., Durán Domínguez de Bazúa María del Carmen. 2007.
Introducción a la Química Ambiental. Editorial Reverté.
7Miller
G. Tyler, Jr.; 2002; Introducción a la Ciencia Ambiental. Desarrollo
sostenible de la Tierra; Thompson Editores Spain; 458 pp. Cap. 10.
8Sahinkaya
E., Gungor, M. 2010. Comparison of sulfidogenic up – flow and down –
flow fluidized – bed reactors for the biotreatment of acidic metal – containing
wastewater. Bioresource Technology 101:9508 – 9514.
9Teekayuttasakul,
P., Annachhatre, A. P. 2008. Lead removal and toxicity from
industrial wastewater through biological sulfate reduction process. Journal of
Environmental Science and Health part A 43:1424 – 1430.