International Congress Mexico City, 20-24 June 2006 Natural Arsenic in Groundwaters of Latin America

Remoción del arsénico en el agua para bebida y biorremediación de suelos M.L. Castro de Esparza Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS-SB/SDE/OPS) Urbanización Camacho, La Molina, Lima, Perú

Varios países de América han reportado la existencia de población expuesta crónicamente a concentraciones de arsénico en agua de bebida, superiores a las previstas por la normatividad de los países. Es el caso de Canadá, Estados Unidos, Chile, Perú, Bolivia, México, El Salvador y Nicaragua. Algunos de estos países han resuelto total o parcialmente el problema de disposición de tecnología, dependiendo de que la población afectada fuera rural o urbana. Existen alrededor de 14 tecnologías para remover arsénico del agua con eficiencias de 70 a 99%. Los métodos de coagulación-floculación y ablandamiento con cal, son los más usados en grandes sistemas y no exclusivamente para remover el arsénico. En pequeños sistemas puede aplicarse el intercambio iónico, alúmina activada, ósmosis inversa, nanofiltración y electrodiálisis inversa. Las tecnologías emergentes son: 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 hierro y manganeso. En América Latina, los estudios han estado orientados al uso de la coagulación química: con sulfato de aluminio, cal hidratada y polielectrolito de sodio, y han logrado tenores de arsénico a 0,12-0,15mg/L. Con coagulación directa sobre filtro y con coagulación-floculación han logrado alcanzar valores bajo 0,05mg/L. En la remoción mediante adsorción han empleado hematitas y materiales con alto contenido de hierro y superficies de carga positiva (arcilla verde natural, arcillas activadas, zeolita natural y activada y carbón de hueso). Chile es el país con más experiencia en el tratamiento de agua para distribución urbana; cuentan con cuatro plantas de remoción de arsénico del agua de abastecimiento (0,40 mg/L) que tratan en conjunto 2.000 L/s y producen agua potable con 0,040 mg As/L. Han evaluado la mejora del sistema agregando ósmosis inversa (postratamiento) y desalinización. En el Perú, hay una planta de remoción de arsénico que trata el agua con cloruro férrico y ácido sulfúrico. El CEPIS-SB/SDE/OPS ha desarrollado y patentado el producto ALUFLOC que es una mezcla de oxidante, arcillas activadas y coagulante (sulfato de aluminio o cloruro férrico). Es una metodología simple y de bajo costo que permite remover a nivel domiciliario el arsénico natural presente en las aguas subterráneas que son usadas como agua de bebida por la población rural. Se lograron niveles de remoción de hasta 98%, usando como coagulantes Al2(SO)3. y FeCl3. Para la remediación de suelos de zonas contaminadas, se ha estudiado la capacidad de algunos vegetales para absorber y concentrar las sustancias tóxicas. La Universidad de Florida ha identificado un helecho que absorbe arsénico del suelo contaminado que hiper acumula este elemento. En las tecnologías de recuperación y estabilización de arsénico en lodos, suelos y residuos de actividades industriales, por lo general estos son precipitados con cal y soda cáustica. Luego, por separación, sedimentación y/o filtración. En México, han obtenido un compuesto de arsénico insoluble que también se puede emplear como materia prima en la formulación de productos solidificados para ser

RESUMEN:

usados en construcción o dispuestos en un relleno sanitario (Sandoval, 2000). Para afrontar la problemática del agua de bebida, se debe tener en cuenta las características de las fuentes, la adecuación del agua, forma de distribución y/o consumo y las variantes de la tecnología a emplear, sobre la base de las características propias del lugar. En los países de América Latina 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. La población más afectada se encuentra dispersa en el área rural; consume agua sin ningún tratamiento y desconoce el riesgo al que está expuesta. Es necesario desarrollar estudios piloto en forma permanente y sostenida, hasta lograr una solución definitiva cuya implementación pueda recomendarse al ejecutar programas nacionales de remoción de arsénico en el agua de bebida. 1 INTRODUCCIÓN Varios países de América han reportado la existencia de población expuesta crónicamente a concentraciones de arsénico en agua de bebida, superiores a las admitidas. Tal es el caso de Canadá, Estados Unidos, Chile, Perú, Bolivia, México y El Salvador. Algunos de estos países han resuelto total o parcialmente el problema dependiendo fundamentalmente de que la población afectada fuera rural o urbana. El presente documento recopila la información disponible sobre el tratamiento de agua con arsénico, a fin de mostrar una gama de las posibilidades de tratamiento existentes. Se complementa con el documento sobre “Presencia de Arsénico en el Agua de Bebida en América Latina y su Efecto en la Salud Pública” presentado por la autora en este mismo Congreso. 2 TRATAMIENTO DEL AGUA En general, el tratamiento de agua potable está orientado a remover color, turbiedad y microorganismos de origen fecal. Esta remoción se logra a través de una combinación adecuada de procesos: coagulación-floculación-sedimentación-filtración y desinfección. Pero cuando se desea remover elementos químicos del agua, como el arsénico, es necesario recurrir a métodos más complejos, como los señalados en el cuadro: Cuadro 1.Técnicas empleadas para la remoción de arsénico • Óxido reducción • Separación sólido- líquido: -Ablandamiento con cal -Coagulación - Adsorción - filtración Coagulación-Adsorción Coagulación- Filtración Con sales de hierro y aluminio Presencia de hierro y manganeso Hidróxido férrico granular Hierro con filtración directa Alúmina activada - Intercambio iónico • Separación física Electrodiálisis inversa Osmosis inversa y nano filtración • Procesos biológicos Fuente: propia.

Existen alrededor de 14 tecnologías para remover arsénico del agua con eficiencias que van

desde 70 hasta 99%. Los métodos de coagulación – floculación y ablandamiento con cal, son los más usados en grandes sistemas y no exclusivamente para remover el arsénico (Sandoval, 2000). En pequeños sistemas pueden aplicarse el intercambio iónico, alúmina activada, ósmosis inversa, nanofiltración y electrodiálisis inversa. 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 hierro y manganeso. En la mayoría de casos la eficiencia del proceso elegido depende de la concentración inicial, estado de oxidación del arsénico y el pH. También se está estudiando la acción catalítica de la luz y el uso de bacterias y esporas. A continuación se describen algunos métodos para remover arsénico. 2.1 Oxidación/Reducción Mediante este proceso se oxida el arsenito a arsenato para mejorar su remoción en procesos complementarios. Se puede usar cloro, dióxido de cloro, ozono y permanganato de potasio. La oxidación catalítica del As+3 es posible en presencia de óxido de cobre, carbón activado y radiación UV. Uno de los inconvenientes de este proceso es el tiempo de reacción. También es posible su oxidación biológica (Madiec, Cepero, Mozziconacci, 2000) y por medio de la acción catalítica de la luz (Clido, Nieto, Ponce, Rodriguez, Solís y Estrada, 2003). 2.2 Separación sólido/líquido Los procesos de precipitación, coprecipitación, adsorción e intercambio iónico pueden transferir el arsénico de la fase disuelta a la fase sólida. En algunos casos el sólido que provee la superficie de adsorción es grande y fijo, por ejemplo, granos de resina de intercambio iónico, por lo cual se requiere una separación adicional. Los sólidos formados in situ (a través de precipitación o coagulación) deben separarse del agua por sedimentación ó filtración. Precipitación: El arsénico disuelto es transformado en un sólido de baja solubilidad y removido por sedimentación y filtración, por ejemplo la precipitación del arsenato de calcio; también durante la coagulación y floculación pueden coprecipitar algunos compuestos disueltos como el arsénico, para luego ser removidos por filtración. Adsorción e intercambio iónico: Diversos materiales sólidos incluidos flóculos de hidróxido de hierro y aluminio pueden adsorber el arsénico por un mecanismo de adsorción de las superficies y de esta manera ser removidos del agua. El intercambio iónico involucra el desplazamiento reversible de un ión ligado a una superficie sólida por los iones As+5 y As+3. Puede considerarse como una forma especial de adsorción, aunque con frecuencia se examina en forma separada. 2.2.1 Ablandamiento con cal El ablandamiento con cal es un proceso similar a la coagulación con sales metálicas. La cal Ca(OH)2 se hidroliza y reacciona con el ácido carbónico para formar carbonato de calcio, el cual actúa como el agente adsorbente en la remoción de arsénico. Este proceso es típicamente usado solo con aguas muy duras y con tratamiento a pH en el rango de 10 a 12 (Johnston, Heinjnen, Wurzel, 2001) Esta técnica no es apropiada para sistemas pequeños debido al alto costo (EPA, 1997). La remoción (pruebas de jarras) de arsénico As+5 del agua (río, pozo y corriente) con una concentración desde 0,1 a 20 mg/L es de 40-70%. Para un rango de pH 9-10 incrementa la eficiencia de la remoción cuando el ablandamiento con cal es seguido por coagulación con hierro. El ablandamiento con cal a un rango de pH de 10,6-11,4 mostró una alta remoción de As+5 hasta 95% en un agua con una concentración inicial de 12 mg/L de arsénico (Kirchmer, Esparza, 1978; Johnston, Heinjnen, Wurzel, 2001; Viraraghavan, Subramanian, Swaminathan, 1994). El mecanismo principal en la remoción del arsénico mediante el ablandamiento de aguas que

contienen magnesio es la adsorción del arsénico dentro del hidróxido de magnesio que se forma durante el ablandamiento. También la remoción del arsenato es excelente a pH >11, y más pobre a pH < 10. La remoción de arsénico se mejora con la adición de hierro. Pero el carbonato disminuye el efecto. La remoción de arsénico disminuye en presencia de cantidades traza de ortofosfato especialmente a pH 10,0 la especie soluble predominante es el Fe(OH)4-. A un pH < 6,0 las especies predominantes son el Fe+3, FeOH+2 y Fe(OH)2+ los cuales favorecen la adsorción de los iones arsenato, pero en este mismo rango la capacidad de adsorción de los arsenatos por el hidróxido férrico está limitada por la carga superficial negativa del mismo. Esto puede explicar por qué se obtienen mejores remociones de arsénico con el cloruro férrico en un rango de pH entre 7,0 y 7,5 en donde la remoción de arsénico se efectuará por adsorción y coprecipitación de las especies catiónicas y de los precipitados del hidróxido Fe(OH)3 con los que en forma conjunta el arsénico coprecipita y sedimenta rápidamente. El precipitado de Al(OH)3 que en realidad es AlO3.xH20 tiene carga superficial positiva a pH < 7,6 y negativa a pH > 8,2. En el rango de pH entre 7,6 y 8,2 la carga superficial es mixta. A pH = 4,0 predominan las especies de Al+3, mientras que a un pH 9,0 predominan las especies aniónicas Al(OH)4-. En todos los casos de remoción de arsénico por coagulación y adsorción se debe producir con mayor eficiencia a un pH < 7,0, donde se presentan las especies catiónicas de hierro y aluminio más efectivas, y la competencia del grupo hidroxilo es reducida. 4 TRATAMIENTO DE SUELOS 4.1 Fitorremediación La fitorremediación en los últimos años ha constituido una técnica novedosa, eficiente y a la vez económica para la recuperación de suelos contaminados. La contaminación que se presenta en los suelos por metales pesados en este caso el arsénico, es difícil de eliminar permaneciendo durante largas décadas y concentrándose a lo largo de la cadena trófica, produciendo intoxicaciones y malformaciones en los animales superiores. En los últimos años se está desarrollando una novedosa tecnología para eliminar los contaminantes de los suelos afectados, una tecnología limpia, barata y eficaz. Se trata de la técnica llamada fitorremediación, que consiste en plantar en las zonas contaminadas determinadas especies de vegetales, de reconocida capacidad para absorber y concentrar las sustancias tóxicas. Estas especies son conocidas como hiperacumuladoras. Las plantas pueden ayudar a limpiar varios tipos de contaminación incluidos metales, plaguicidas, explosivos y aceite. Estas remueven los contaminantes del terreno cuando sus raíces toman el agua y los nutrientes del suelo contaminado y del agua subterránea contaminada. Las plantas pueden limpiar mejor los contaminantes del terreno cuando sus raíces alcanzan mayor profundidad. Una vez dentro de la planta los contaminantes pueden estar almacenados en las raíces, tallos y hojas; convertidos en contaminantes menos dañinos dentro de la planta, o en gases que son liberados al aire cuando la planta transpira. El tiempo que tomará limpiar el terreno dependerá de varios factores como las especies y número de plantas que serán usadas; clase y cantidades de contaminantes presentes; tamaño y profundidad del área

contaminada; características del suelo y condiciones presentes. Estos factores varían de acuerdo con los diferentes sitios. Las plantas pueden llegar a ser reemplazadas si son destruidas por el clima o los animales. Entonces tomará tiempo limpiar este terreno. Frecuentemente limpiar un terreno con fitorremediación tarda varios años. La EPA usa la fitorremediación por las ventajas que ofrece. Esta requiere menos equipos y trabajo que otros métodos, ya que las plantas hacen la mayoría del trabajo. El sitio puede ser limpiado sin necesidad de remover el terreno o bombear el agua subterránea contaminada. Esto permite evitar el contacto de los contaminantes con los trabajadores. La fitorremediación ha sido satisfactoriamente probada en varias localidades y puede llegar a ser usada en sitios contaminados (UFNEWS, 2001). 4.2 Un helecho para limpiar arsénico Un equipo de científicos de la Universidad de Florida descubrió un helecho que absorbe arsénico del suelo contaminado. Esta es la primera planta encontrada que hiperacumula arsénico, es decir puede usarlo como parte de su alimentación. El helecho cuyo nombre científico es Pteris vittata, se cultiva fácilmente y prefiere los climas soleados y el suelo alcalino. Esto último favorece la absorción del arsénico que puede ser extraído fácilmente del suelo en condiciones alcalinas. Estudios al respecto han demostrado un alto nivel de eficiencia en la remoción del arsénico de suelos empleando este helecho (Sandoval, 2000; ICPMS, 2002). En las pruebas realizadas se encontraron niveles de hasta 200 veces superiores a las concentraciones medidas en los suelos contaminados donde creció el helecho. En un sitio contaminado por madera tratada con solución de cromo, cobre y arsénico, el suelo presentó una concentración de 38,9 mg/K de arsénico, mientras que el helecho presentó 7.526 mg/K de arsénico. En pruebas realizadas utilizando suelo artificial contaminado con arsénico, las concentraciones del metaloide en las hojas del helecho alcanzaron 22.630 mg/K de arsénico, significando esto que el 2,3% de la planta estaba compuesta por arsénico. Se ha demostrado que el helecho acumula arsénico en suelos que contienen niveles normales de arsénico de menos de 1 mg/K. Por ejemplo, una planta de helecho presentó 136 mg/K en las hojas y el suelo solo tenía 0,47 mg/K de arsénico. Según lo observado, la planta crece y se desarrolla mucho mejor en suelos que contienen arsénico que en suelos sin este, aunque todavía no han concluido que la planta necesita de arsénico para vivir. Debido a que el helecho acumula 90% del arsénico en sus hojas y tallos, la estrategia sería hacer crecer la planta en lugares contaminados, luego cosechar las hojas y los tallos y transferirlas a una instalación autorizada para residuos peligrosos. Lo que todavía permanece sin resolver es por qué el helecho acumula arsénico. Las investigaciones futuras se enfocarán sobre cómo la planta lo toma, distribuye y detoxifica el arsénico (Sandoval, 2000; ICPMS, 2002). 4.3 Tratamiento de Sedimentos, lodos (residuos) Las tecnologías de tratamiento para remover arsénico y las actividades industriales generan residuos con alto contenido de arsénico. Este hecho conlleva a la búsqueda de soluciones para recuperar y estabilizar el arsénico o minimizar el alto riesgo de contaminación que este representa. Existen varias tecnologías para ello. La precipitación de hidróxidos es efectiva y económica para remover metales pesados, separándose los precipitados por sedimentación y/o filtración. Para ello se usa generalmente cal y sosa cáustica. La desventaja es la cantidad de residuos generados y la disposición de estos. Otra opción sería la precipitación con sulfuros, lográndose alta eficiencia en la remoción de arsénico y con la ventaja de que los compuestos formados son insolubles. Para que la remoción del arsénico sea más eficiente, el proceso se realiza a pH < 7. Sin embargo, su uso se ha limitado debido a la toxicidad y al olor que genera el H2S. 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. Esta tecnología se usa para destoxificar, inmovilizar, insolubilizar o en otras palabras hacer el residuo menos peligroso para el ambiente (Sandoval, 2000). En México se ha hecho un estudio que propone obtener un compuesto de arsénico insoluble y que

también se puede emplear como materia prima en la formulación de otros compuestos solidificados para su uso en la construcción o dispuesto como un relleno sanitario (Sandoval, 2000). 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 5.1 La revisión más actualizada de la remoción del agua con arsénico en el agua de bebida indica que la transferencia de tecnología relacionada con la adecuación de la calidad del agua en los países en vías de desarrollo tiene un abordaje especial, en el cual se debe considerar: • Las características de las fuentes, su adecuación, 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. • Se debe tener en cuenta el costo/beneficio 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. • Existencia de personal capacitado para apoyar en el desarrollo del proyecto y el posterior mantenimiento y control del mismo. • El entendimiento y aceptación de la tecnología propuesta por parte de la comunidad que incluya la capacidad de esta para financiar su implementación. 5.2 En la remediación de suelos existen experiencias recientes con información preliminar que debe seguir estudiándose para establecer su aplicabilidad en diferentes condiciones (suelos, ambientales, culturales, disposición final de los residuos, impacto en el ecosistema, etc.). 5.3 En los países de América Latina 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. La población más afectada es la que se encuentra dispersa en el área rural que consume agua sin ningún tratamiento y desconoce el riesgo al que está expuesta. Para esa población se requiere que las autoridades de salud, de planificación y de servicios de agua, entre otras, promuevan y ejecuten programas de prevención y control de riesgos del consumo del agua con niveles de arsénico superiores a los recomendados por las normas de calidad del agua de bebida. Los programas deben involucrar la participación de las autoridades, comunidad y los sistemas locales de salud. 5.4 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. Se requieren algunos estudios que vayan más allá del trabajo a escala de laboratorio, estudios epidemiológicos, y ofrecer las experiencias de América Latina. Es necesario desarrollar una capacidad analítica confiable y comparable para que se puedan lograr resultados confiables de los estudios desarrollados en el campo y el laboratorio. 6 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Álvarez, J.; Rosas, L., 1999. Adsorción de Arsénico Electrotratamiento, IPN Ciencia, Arte: Cultura. Hemeroteca Virtual ANUIES. http://www.hemerodigital.unam.mx/ANUIES/ipn/arte_ciencia_cultura/ene-feb99/arseni co/arsenico.html Avilés, M.; Pardón, M., 2000. Remoción de Arsénico de Agua Mediante Coagulación-Floculación a Nivel Domiciliario. Federación Mexicana de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente, FEMISCA 2000, pp. 1-10. Bedolla, L.; Avilés, M; Tirado, L.; Cortés, J.M.C., 1999. Remoción de arsénico del agua para consumo

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