Remoción del arsénico en el agua para bebida y

Remoción del arsénico en el agua para
bebida y biorremediación de suelos
María Luisa de Esparza,
Asesora Regional en Aseguramiento de la Calidad y
Servicios Analíticos. CEPIS/OPS
Noviembre, 2004
Introducción
En general, el tratamiento de agua potable está orientado a
remover color, turbiedad y microorganismos de origen fecal.
Con procesos de: coagulación-floculación-sedimentaciónfiltración y desinfección.
Para remover elementos químicos del agua, como el As, es
necesario recurrir a métodos más complejos.
Técnicas empleadas para la remoción de
arsénico
ƒ Los métodos de coagulación – floculación y ablandamiento
con cal, son los más usados (grandes sistemas) y no solo
para remover As
ƒ En pequeños sistemas pueden ser aplicadas el intercambio
iónico, alúmina activada, osmosis inversa, nanofiltración y
electrodiálisis inversa
ƒ Las tecnologías emergentes son las de arena recubierta
con óxidos de hierro, hidróxido férrico granular, empaques
de hierro, hierro modificado con azufre, filtración con zeolita,
adición de hierro con filtración directa y remoción
convencional de Fe y Mn.
Oxidación/Reducción
ƒ Mediante este proceso se oxida el A+3 a As+5 para
mejorar su remoción en procesos complementarios.
Se puede usar cloro, dióxido de cloro, ozono y
permanganato de potasio
ƒ La oxidación catalítica del As+3 es posible en
presencia de óxido de cobre, carbón activado y
radiación UV. Inconveniente: tiempo de reacción
ƒ También es posible su oxidación biológica y
ƒ acción catalítica de la luz
Separación sólido/líquido
ƒ La precipitación, coprecipitación, adsorción e
intercambio iónico pueden transferir el As de la fase
disuelta a la fase sólida.
ƒ En algunos casos el sólido que provee la superficie
de adsorción es grande y fijo, ej. granos de resina de
intercambio iónico. Es requerida separación adicional.
ƒ Los sólidos formados in situ (a través de precipitación
o coagulación) deben ser separados del agua por
sedimentación o filtración.
Precipitación
El As disuelto es transformado en un sólido de baja
solubilidad y removido por sedimentación y filtración, por ej.
la precipitación del arsenato de calcio;
También durante la coagulación y floculación pueden
coprecipitar compuestos disueltos como el arsénico, que
deben ser removidos por filtración.
Adsorción e intercambio iónico
ƒ Adsorción: materiales sólidos que incluyen flóculos de
hidróxido de hierro y aluminio pueden adsorber el As en
sus superficies
ƒ El intercambio iónico: desplazamiento reversible de un ión
ligado a una superficie sólida por los iones As+5 y As+3.
ƒ Separación física: mediante membranas sintéticas que
actúan como filtro molecular para remover el As y otros
compuestos particulados y disueltos.
Coagulación/Filtración:
‰ El As+5 puede ser removido por coagulación con sulfato de aluminio o
hierro, ablandamiento con cal y soda
‰ Se forman hidróxidos, sobre los que el As+5 se adsorbe y coprecipita
con otros iones metálicos
‰ Son dependientes de la concentración inicial de As, el pH del agua a
tratar, y el tipo y la dosis del coagulante
‰ Puede remover sólidos disueltos, turbidez, Fe, Mn, PO4 y F. También
olor, color y precursores de THMs
‰ Las condiciones óptimas de remoción (As) y otros no siempre son las
mismas
‰ Para remover As +3 se requiere una preoxidación
‰ Para asegurar remoción se pueden usar filtros (arena)
Coagulación/Filtración
Reactivos
ƒ sulfato de aluminio (más usado por su bajo costo y fácil
manejo
ƒ sulfato ferroso y férrico,
ƒ cloro sulfato férrico,
ƒ cloruro férrico,
ƒ alumbre, y
ƒ carbonato de magnesio.
Eficiencia de coagulantes en la remoción de
arsénico
Coagulante
arsenato, As+5
arsenito As+3
remoción pH remoción
(%)
(%)
sulfato férrico
100
< 9.0
20
Fe2(SO4)3
sulfato de
90
< 7.0
50
aluminio
Al2(SO4)3
pH
< 9.0
< 7.0
Remoción de arsénico por coagulación
Formas
Arsenicales
Método de tratamiento
Dosis del
coagulante
(mg/L)
Concentració
n inicial
(mg/L)
Remoción
(%)
pH
inicial
As+5
FeCl3
5
0,050
100
7,0
As+3
FeCl3
6
0,005
72
8,0
As+3
FeCl3
18
0,005
84
8,0
*
Aereación, coagulación
con alúmina, sedimentar 6
días y filtración
7
0,8
70
7,4
*
Aereación, coagulación
con FeCl3, sedimentar 10
días y filtración
18.5
0,69
60
7,4
*
Aereación, coagulación
con alúmina, sedimentar
12 días y filtración
21
0,70
46
7,4
*
Cloro (20 mg/L), oxidación,
aereación, coagulación con
FeCl3, sedimentar 20 días
y filtración
51
0,83
100
7
*
FeCl3
30
1
92
6,8
Fuente: * Información o dato no proporcionado por los autores. (Ref. Viraraghavan, 1996)
Remoción de arsénico por coagulación
Formas
Arsenicales
As+5
Método de tratamiento
Cloruro férrico
As+5
Dosis del
coagulante
(mg/L)
Concentración
inicial (mg/L)
Remoción
(%)
pH
inicial
20
0,045
96
7,5
40
0,045
95
7,5
As+5
Cloruro férrico
40
0,043
97
8
As+5
Sulfato de Aluminio
60
0,043
97
8
As+5
Coagulación con sulfato de
aluminio
30
<1–2
≥ 90
6,4 –
7,5
As+5
Coagulación con sulfato
férrico
30
<1/2
> 90
6,4 –
7,5
*
30 – 40
90 - 95
5,5
>5
0,2
97,5
7,0
As+3,
As+5 y
arseniato de
metano
Cloruro férrico
As+5
Alúmina
As+5
Sulfato férrico
5
0,2
97,5
7,0
As+5
Óxido de manganeso
hidratado
20
0,2
76
7,0
As+3
Cloruro férrico
200
31
86
10,0
As+3
Cloruro férrico
500
31
92
10,0
As+3
Cloruro férrico
1000
31
93
10,0
Remoción de arsénico por coagulación
Formas
Arsenicales
Método de tratamiento
Dosis del
coagulante
(mg/L)
Concentración
inicial (mg/L)
Remoción
(%)
pH
inicial
*
56
99,8
6,5
As+5
Adición de hierro electroquímico,
oxidación con peróxido de
hidrógeno, sedimentación y
filtración
As+3
Coagulación con sulfato férrico
10
0,2
62
7,5
As+3
Coagulación con sulfato férrico
10
0,2
75
7,5
As+3
FeCl3
10
0,2
76
7,5
As+3
Coagulación con sulfato cúprico
10
0,2
88
7,5
As+3
Coagulación con cloruro cuproso
10
0,2
85
7,5
As+3
Coagulación con cloruro de zinc
10
0,2
84
7,5
As+3
FeCl3.6H2O
300
100
78
8,0
As+3
Ag2SO4
625
100
82
8,0
As+3
CuSO4.5H2O
300
100
85
8,0
As+3
Al2SO4..18H2O
300
100
73
8,0
KmnO4 (13.8 mg/L), oxidación,
coagulación con sulfato férrico y
filtración
28
0,7
86
7,4
*
Fuente: * Información o dato no proporcionado por los autores. (Ref. Viraraghavan, 1996)
Coagulación/adsorción
‰
ALUFLOC
Metodología simple y de bajo costo para remover
a nivel domiciliario As presente en las aguas
subterráneas usadas para bebida por la población
rural.
‰
Remoción de hasta un 98%
‰
Componentes: arcillas activadas, coagulante y
oxidante
FeCl3, para conc. 1 mg/L de As
Al2(SO)3 para conc.<1 mg/L
Coagulación/Filtración
ƒ A escala laboratorio se ha usado LaCl3 y se ha comparado
con sales de Fe, Al y PAC (Cloruro de polialuminio).
Es dependiente del pH y la dosis del coagulante, las
condiciones óptimas entre pH 5-10 y coagulante tres veces
mayor o igual que la concentración de As+5.Conc. residual
< 10 µg/L.
ƒ Remoción de As+5 mayor del 83% (pH: 6.54 -10.6), en
cinco minutos.
Las ventajas como coagulante es su abundancia, bajo
costo, amplio rango de pH, pequeñas dosis de coagulante,
su baja concentración residual a dosis óptima y su rápido
tiempo de reacción.
Intercambio Iónico
ƒ Las resinas de intercambio iónico remueven As (85-100%)y
otros iones como cromato, selenato, nitrato y nitrito
ƒ Disponibles en formas de base débil y base fuerte
ƒ Las de base fuerte pueden remover As+5 y producir
efluente < 1 µg/L de As
ƒ El As+3 no es removido
ƒ El sulfato y el TDS son los principales interferentes
ƒ El Fe y Mn pueden provocar la obstrucción del lecho
ƒ La remoción del As es relativamente independiente del pH y
la concentración afluente
ƒ Las resinas son regeneradas con soluciones salinas
concentradas (NaCl)
ƒ Es moderadamente cara y su regeneración produce
salmueras de As
Alúmina Activada
ƒ Efectiva con agua de alto contenido de sólidos disueltos. En presencia
de Se, F, Cl y SO4 (en altos niveles) puede disminuir la adsorción del
As.
ƒ Selectiva para As+5.
ƒ Su regeneración pierde del 5 al 10% de la capacidad por ciclo.
ƒ La eficiencia de remoción del As es >95% (pH 5.5-6), con superficie de
la alúmina está protonada
ƒ Ineficiente para la remoción completa de As+3
ƒ Aguas ricas en Fe y Mn, requieren pretratamiento (evitar obstrucción de
medio)
ƒ Recomendado para aguas subterráneas (poca carga de sólidos)
ƒ En esta agua, 20-50% del As esta en forma de As+3, requiere
oxidación. Si tiene Fe forma de compuestos insolubles de Fe asociados
con As.
Se pueden separar mediante filtración por arena, el restante de As
soluble es adsorbido por la alúmina activada.
Hierro y manganeso
ƒ
La geoquímica del As revela que altas concentrac. de As con frecuencia están
asociadas a altas concentrac. de Fe+2 y Mn+2
ƒ
Las fuentes de agua que contienen Fe y/o Mn y As pueden ser tratadas con
procedimientos convencionales
ƒ
La oxidación para remover Fe+2 y Mn+2, forma hidróxidos que remueven el As
ƒ
Las especies oxidadas de Fe-Mn y la precipitación seguida de los hidróxidos son
análogas a la coagulación “in situ”
ƒ
Cada mg/L de Fe+2 removido es capaz de adsorber 83% de un afluente de 0,022
mg/L de As+5 , con un efluente de 0,0035 mg/L As
ƒ
La precipitación de 3 mg/L de Mn+2 produce un efluente con 0,00375 mg/L de
arsénico residual, en un afluente con 0,012 mg/L
ƒ
Para el agua subterránea con alto contenido de hierro disuelto, el tratamiento
tradicional de aireación y filtración con arena frecuentemente ofrece la reducción
de arsénico al nivel sugerido por las normas existentes
Hidróxido Férrico Granular
ƒ El hidróxido férrico granular es un β-FeOOH ligeramente
cristalino, acondicionando una suspensión de hidróxido de
hierro, de forma irregular, sus granos alcanzan 2 mm.
ƒ Adsorben As+5, en procesos independientes del pH,
disminuye su capacidad de adsorción con el incremento de
este.
ƒ Comparado con métodos de floculación con la técnica de
GFH esta última ofrece alta confiabilidad operacional,
mínimo de energía y bajos niveles de inversión en la planta
ƒ La reactividad del As+3 con la goetita es independiente del
pH y sobre su superficie se forman complejos de As+3
bidentados, similares a otros oxianiones los cuales también
pueden ser adsorbidos.
.
Hierro con filtración directa
ƒ Este proceso consiste en la adición de hierro (coagulación)
seguida por filtración directa (sistema de microfiltración),
removiendo consistentemente el arsénico hasta 0.002 mg/L
ƒ Los parámetros críticos son las dosis del hierro, la potencia
del mezclado, el tiempo de retención y el pH
Ablandamiento con cal
ƒ La cal (Ca(OH)2) se hidroliza y se combina con ácido
carbónico para formar CaCO3 el cual actúa como el agente
sorbente del As
ƒ Es usado con aguas duras y agua con un pH entre 10 a 12
ƒ La remoción es por adsorción del As dentro del hidróxido de
magnesio. También la remoción del As+5 es excelente a pH
>11, y mas pobre a pH < de 10
La remoción de As se mejora con la adición de Fe,
disminuye con el carbonato. También disminuye en
presencia de traza de ortofosfato (pH <12)
ƒ La remoción del As+3 es pobre, con una absorción de una
magnitud menor que para el As+5
ƒ No es apropiada para sistemas pequeños debido al alto
costo
Osmosis Inversa y Nanofiltración
ƒ Remoción hasta el 95% (presión de operación de 75 a 250
psi)
ƒ Es independiente del pH y la presencia de otros solutos.
ƒ La membrana requiere que el agua a tratar sea de alta
calidad (no material coloidal y materia orgánica
ƒ En la nanofiltración, la eficiencia de remoción del As
alcanza al 90%
ƒ Bajas tasas de recuperación de agua (10-20%),
ƒ Operación a presiones bastante altas
ƒ Costos de operación altos
ƒ El agua tratada con bajos niveles de sólidos disueltos
(características corrosivas)
ƒ Bajos niveles de micro nutrientes importantes para la salud
humana.
Filtración/tamaño de partículas y tecnología
apropiada
Electrodiálisis Inversa
ƒ Su eficiencia de remoción es de hasta un 80%.
ƒ De un efluente de 0.021 mg/L baja el nivel de arsénico a
una concentración residual de 0,003 mg/L.
ƒ El porcentaje de recuperación del agua tratada es de 20 a
25% con respecto al afluente
ƒ Problema para regiones que tienen escasez de agua.
ƒ Esta técnica no es competitiva con respecto a los métodos
de osmosis inversa y nanofiltración, en cuanto a costos y
eficiencia del proceso.
Procesos de remoción biológica:
ƒ La actividad bacteriana puede jugar un papel catalizador
importante en varios de los procesos de remoción de
arsénico, pero se conoce poco sobre la viabilidad del uso
de la remoción biológica para eliminar el arsénico en agua.
ƒ Se están desarrollando métodos de filtración empleando
esporas para la remoción de arsénico en la UNI, Perú.
Procesos de remoción biológica:
Sorption of Pb2+ on Mn bio-oxide
Bacillus SG-1 spores
oxidizing Mn(II) to Mn(IV)
Mn2+ +2H2O ==> MnO2(s) +4H+ +2e-
Photo: Brad Tebo
Interaction of metals and bacteria
Formation of bio-oxides:
Fe2+ ==> Fe(OH)3 (s)
Mn2+ ==> MnO2 (s)
Cd
Biosequestration:
Intracellular accumulation
of metal
Redox transformation:
Cr(VI) ==> Cr(III)
Cd
Cd
Biosorption:
Biomineralization:
Bacteria produces PO43Na+ + PO43-+ UO22+ ==>
NaUO2PO4 (s)
Metal associated
with cell surface
Tratamiento de Suelos - Fitorremediación
ƒ El arsénico, que se presenta en los suelos es muy difícil de
eliminar permaneciendo durante largas décadas
ƒ Las plantas pueden limpiar los contaminantes cuando sus
raíces alcancen profundidad.
ƒ En la planta los contaminantes pueden ser almacenados en
las raíces, tallos y hojas.
ƒ Convertidos en menos dañinos dentro de la planta.
ƒ Convertidos en gases liberados al aire
ƒ El tiempo que toma dependerá de
Tipo y número de plantas que serán usadas
Tipo y cantidades de contaminantes presentes
Tamaño y profundidad del área contaminada
Tipo de suelo y condiciones presentes.
Tratamiento de Suelos - Fitorremediación
.
ƒ La planta que hiperacumula As,
(puede usarlo como parte de su
alimentación) es el helecho
Pteris
vittata,
se
cultiva
fácilmente y prefiere los climas
soleados y el suelo alcalino, esto
ultimo favorece la absorción del
As
Helecho para limpiar arsénico
Acumula hasta 200 veces las conc. de los suelos contaminados
Conc. de 38.9 ppm de As en suelo y el helecho 7526 ppm
La planta crece y se desarrolla mucho mejor en suelos que
contienen As aunque no es se ha concluido que la planta
necesita de As para su desarrollo
Tratamiento de sedimentos, lodos
(residuos)
ƒ Se usa generalmente cal y soda cáustica.
ƒ Precipitación con sulfuros, logra alta eficiencia de remoción
(compuestos insolubles). Para el As a pH <7
ƒ La fijación química y la solidificación ofrece muchas
ventajas, como mejorar las características de manejo,
produciendo un material sólido lo suficientemente fuerte
para su disposición (construcción o disposición en relleno
Se usa para destoxificar, inmovilizar, insolubilizar el residuo
ƒ El estudio a gran escala se desarrolló usando aprox. 605
000 L de agua con 48 mg/L de As y tras una combinación
de métodos (precipitación, filtración y absorción en carbono)
se obtuvo niveles < de 1 mg/L.
Conclusiones y recomendaciones
ƒ La transferencia de tecnología tiene un especial abordaje,
en el cual hay que considerar el entendimiento y aceptación
de la tecnología propuesta por parte de la comunidad y la
capacidad de esta para financiar el proyecto de su
implementación. En el caso del agua de bebida, se debe
tener en cuenta las características de las fuentes, su
adecuación y forma de distribución y/o consumo y las
variantes de la tecnología que se debe aplicar a situaciones
específicas donde se consideren las características propias
del lugar.
ƒ Se debe tener en cuenta existencia de personal capacitado
y el costo/beneficio de que introduce la tecnología
propuesta, la misma que de un modo muy claro debe
solucionar un problema social, de salud pública o de
desarrollo de la comunidad intervenida.
Conclusiones y recomendaciones
ƒ En los países de A. L. existe experiencia y capacidad para
el desarrollo de tecnología, pero limitada por la carencia de
recursos financieros, facilidades y sobre todo políticas de
estado que faciliten y orienten el desarrollo de la tecnología
que conlleve a la solución efectiva de problemas o
satisfacción de las necesidades existentes
ƒ Es necesario desarrollar estudios piloto en forma
permanente y sostenida hasta lograr una solución definitiva
que pueda ser recomendada para su implementación en los
programas nacionales de remoción de arsénico en el agua
de bebida.
ƒ Se requieren algunos estudios que vayan más allá del
trabajo a escala de laboratorio, estudios epidemiológicos, y
ofrecer las experiencias de América Latina.
Muchas Gracias
Correo electrónico: mesparza@cepis.ops-oms.org
Web: http://www.cepis.ops-oms.org
Noviembre, 2004