Capítulo 1
REMOCIÓN DE ARSÉNICO
A NIVEL DOMICILIARIO
Resumen
En México se ha detectado la presencia de arsénico
en cuerpos de agua que se utilizan para el abastecimiento de la
población: la Comarca Lagunera, Zimapán, Hgo., Acambaro,
Gto., Zacatecas, Zac., Delicias, Meoqui, Camargo Jiménez,
Chih., Huautla, Mor., lugares donde se alcanzan concentraciones
superiores a lo señalado por la NOM.127-SSA1 ( 0.05 mg L-1).
Las principales rutas de exposición son la ingesta y la
inhalación. El arsénico se acumula en el organismo
por exposición crónica y puede causar afecciones tales
como alteraciones de la piel, efectos secundarios en el sistema
nervioso, irritación de los órganos del aparato respiratorio,
gastrointestinal y hematopoyético, y acumulación en
los huesos, músculos y piel y, en menor grado, en hígado
y riñones.
La evidencia epidemiológica de personas que han ingerido
por un tiempo prolongado arsénico inorgánico vía
agua de bebida, son la hiperqueratosis palmo-plantar, cuya manifestación
principal es la pigmentación de la piel, la hiperqueratosis
papular, el carcinoma epidermoide y la presencia de callosidades
localizadas en las palmas de las manos y pies.
En este estudio se presentan los resultados de la remoción
de arsénico mediante el proceso de coagulación-floculación
a pH natural del agua, empleando hipoclorito de calcio (CaOCl2)
de alta pureza (65-70%) para oxidar As(III) a As(V); sulfato de
aluminio (Al2(SO4)3) como coagulante, y materiales sólidos
(MS) que favorecen la formación de flóculos. Las pruebas
en el laboratorio definieron la mejor mezcla de reactivos, obteniéndose
remociones de arsénico hasta del 93%.
La mezcla se probó en un prototipo intradomiciliario con
agua procedente de Huautla, Morelos, y de Zimapán, Hidalgo,
cuyas concentraciones de arsénico eran de 0.1 y 0.5 mg As
L-1, respectivamente; después del tratamiento se alcanzaron
concentraciones de 0.035 y 0.041 mg L-1 de arsénico residual,
valores que cumplen con la NOM-127SSA1. El método es de fácil
operación y bajo costo, pero debe ser calibrado en función
de la calidad del agua a tratar.
Palabras clave: arsénico, potabilización.
Introducción
En México se estima que alrededor de 500,000 habitantes de
comunidades rurales del país ingieren agua con concentraciones
superiores a 0.05 mg As L-1, lo cual representa un grave problema
de salud pública. Dentro de los compuestos arsenicales inorgánicos
más comunes destacan la arsina, los arsenatos y arsenitos
que se presentan en la atmósfera, en el agua y en el suelo,
combinados con elementos como el plomo, zinc, hierro, antimonio,
azufre, cobre, plata y oro.
Las principales rutas de exposición del ser humano al
arsénico son la ingesta y la inhalación, siendo
acumulable este elemento en el organismo por exposición
crónica. A ciertas concentraciones el arsénicoocasiona
afecciones como: alteraciones de la piel, efectos secundarios en
el sistema nervioso, irritación de los órganos del
aparato respiratorio, gastro-intestinal y hematopoyético
y acumulación en los huesos, músculos y piel, y, en menor
grado, en hígado y riñones.
Figura 1. Efecto causado por el arsénico.
La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de Norte
América, USEPA, clasifica al arsénico como cancerígeno
en el grupo A, debido a la evidencia de sus efectos adversos sobre la
salud. La exposición a 0.05 mg L-1 puede causar 31.33 casos de
cáncer de la piel por cada 1,000 habitantes. La eliminación
natural del organismo humano es por vía urinaria, heces, sudor
y epitelio de la piel (descamación). Algunos estudios de toxicidad
del arsénico indican que muchas de las normas actuales basadas
en las guías de la OMS señalan concentraciones muy altas
y plantean la necesidad de reevaluar los valores límites basándose
en estudios epidemiológicos. En la Tabla 1 se presentan
diferentes valores guías para el arsénico establecidos por
varias agencias reguladoras
Tabla 1. Valores Guías
El arsénico en el agua natural
El arsénico presenta cuatro estados de oxidación bajo condiciones normales siendo las más comunes su estados trivalente (arsenitos) y pentavalente (arsenatos). En aguas naturales de pH 5 a 9 predominan las especies H2AsO4-, HAsO4-2 , H3AsO3 y H2AsO3-. Las condiciones que favorecen la oxidación química y biológica inducen el cambio a especies pentavalentes y, a la inversa, aquellas que favorecen la reducción cambian el equilibrio al estado trivalente.
La ionización de arsénico está expresada por la constante de disociación, pKa, cuyos valores para el arsenato y arsenito son:
Arsenato: H3AsO4 pK1 = 2.2 pK2 = 6.94 pK3 = 11.5
Arsenito: H3AsO3 pK1 = 9.2 pK2 = 14.22* pK3 = 19.22*
*valores extrapolados
Como puede observarse, las constantes de disociación para el As (V) son menores que las del As (III), por lo que su grado de disociación es más elevado. La capacidad de ionización del As (V) le permite combinarse fácilmente con otros compuestos, lo cual hace que su remoción por diversos métodos sea más eficiente, en comparación con la del As(III); de ahí la importancia de oxidar el arsenito antes de someter el agua a algún tipo de tratamiento. Los cambios en el estado de ionización para el arsenato y el arsenito ocurren a diferente pH, tal como se observa en la Figura 2.
Eh 
Figura 2. Distribución de las especies de arsénico en función de pH – Eh
Remoción de arsénico del agua
El tratamiento de agua potable convencional está orientado a remover color, turbiedad y microorganismos. Esta remoción se logra a través de una combinación adecuada de procesos de: coagulación, floculación, sedimentación, filtración y desinfección. Pero cuando se desea remover elementos químicos del agua, como el arsénico es necesario, en ocasiones, recurrir a métodos más complejos.
Las tecnologías utilizadas generalmente para remoción de arsénico, además de coagulación y floculación, son: adsorción-coprecipitación usando sales de hierro y aluminio, adsorción en alúmina activada, ósmosis inversa, intercambio iónico y oxidación seguida de filtración.
En las plantas de tratamiento de agua, el As+5 puede ser removido en
forma efectiva por coagulación con sulfato de aluminio o hierro
y por los procesos de ablandamiento con cal. Los coagulantes señalados
se hidrolizan formando hidróxidos, sobre los cuales el As+5 se
absorbe y coprecipita con otros iones metálicos, mejorando las
eficiencias de remoción, con valores semejantes a los señalados
en la Tabla 2.
La remoción de arsénico con procesos convencionales de coagulación con sales de hierro o aluminio y ablandamiento con cal son dependientes del pH del agua tratada, del tipo y dosis de coagulantes así como de la concentración inicial de este elemento.
La eficiencia de remoción de As+5 comparada con la de As+3 justifica la oxidación del agua subterránea antes del tratamiento. La oxidación del As+3 a As+5 se produce de acuerdo a las siguientes reacciones (1 y 2):
H3AsO3 + H2O + [Ox] « H2AsO4- + 3H+ (1)
H3AsO3 + H2O + [Ox] « HAsO4-2 +4H+ (2)
Objetivo
Investigar y desarrollar una metodología simple y de bajo costo que permita remover, a nivel domiciliario, el arsénico natural presente en las aguas subterráneas que son usadas para bebida en poblaciones rurales y desprotegidas.
Metodología
El estudio estuvo orientado a desarrollar:
· Bibliografía sobre los posibles métodos
de remoción de arsénico en aguas subterráneas.
· La selección de los materiales oxidante,
coagulante y arcilla.
· Pruebas de eficiencia de cada producto en forma
individual, para establecer la combinación óptima
de los productos seleccionados.
· Adecuación de un prototipo intradomiciliario
para obtener 20 litros de agua tratada.
· Pruebas con agua natural a diferentes concentraciones
de arsénico, para seleccionar la combinación óptima
de productos.
· Estimación del costo del dispositivo.
Durante las pruebas se crearon condiciones apropiadas para producir
una buena coagulación de los coloides y una buena adsorción
del arsénico en éstos y en los flocs formados. Como
el agua subterránea y el agua preparada a tratar no tiene
turbiedad, se le adicionaron coloides (arcilla verde natural). El
estudio se realizó de acuerdo a la siguiente secuencia:
Composición artificial de la calidad del agua a tratar
En el laboratorio se preparó un agua sintética, utilizando para ello sales grado analítico. La concentración de arsénico total en el agua sintética fue de 1 mgAs L-1, en una proporción 30:70 de As(III) : As(V).
Selección de los productos
Oxidante, arcilla natural y coagulante
En la introducción se indicó la conveniencia de la oxidación
del As+3, que predomina en las aguas subterráneas antes del tratamiento
con coagulación. Debido a que los arsenitos se oxidan fácilmente
a arsenatos con cloro, se seleccionó el hipoclorito de calcio al
65% de cloro activo como material oxidante. La arcilla empleada fue arcilla
verde natural. El coagulante seleccionado para las pruebas fue el sulfato
de aluminio comercial en forma granular (de mayor disponibilidad en el mercado)
con 48-49% de pureza, debido a que es conocido que los arsenatos se precipitan
o se absorben sobre los hidróxidos de aluminio mediante reacciones
superficiales específicas.
Ensayos estándar y parámetros evaluados
Las pruebas se hicieron por lotes a pH natural, evaluando el grado de
remoción de As en condiciones de estabilidad del sistema agua/arcilla/coagulante/arsénico.
También se probó la mejor combinación de productos
a nivel laboratorio, empleando para ello agua natural de Zimapán,
Hgo. y Huautla, Mor., y un recipiente de plástico de veinte litros
de capacidad, al cual se le acondicionó un soporte y manivela giratoria
de acrílico que permitieron reproducir las condiciones de mezcla.
Los parámetros de operación se optimizaron en el prototipo
(gradiente y tiempo de floculación), ya que éstos varían
de acuerdo a la calidad del agua de cada localidad.
Métodos y control de la calidad
Los análisis se realizaron de acuerdo a los métodos estándar
de la AWWA 19 Edic. El análisis de arsénico y aluminio por
espectrofotometría de absorción atómica con llama de
óxido nitroso y generador de hidruros respectivamente. El cloro residual
se midió con el método de DPD.
Evaluación individual de la capacidad de remoción
del sistema
· Dosificación de cada uno de los componentes en forma
independiente por proceso de acuerdo a ensayo estándar, para evaluar
su comportamiento y servir de comparación en la evaluación
de la eficiencia de remoción de las combinaciones utilizadas en el
tratamiento del agua con varias concentraciones de arsénico a remover.
· Dosificación de arcillas y coagulantes sin oxidación
del agua a tratar.
Evaluación de las combinación y selección de la combinación óptima
· Dosificación en condiciones controladas empleando el
equipo de prueba de jarras (Figura 3) a diferentes concentraciones
de coloides (arcillas), oxidante (cloro) y coagulantes (sulfato de aluminio).
· Se utilizaron recipientes de dos litros de
forma cuadrada, con un dispositivo de toma de muestra a 10 cm por
debajo del nivel del agua en la jarra.
· Para la determinación de la mejor dosis
de coagulante se utilizó agua sintética con 1 mgAs
L-1y se emplearon dosis de coagulante en un rango que vario entre
40 y 80 mg L-1. Las concentraciones de arsénico residual
con respecto a la dosis de sulfato de aluminio mostraron que los
valores más bajos se obtienen al aplicar 70 y 80 mg L-1 de
coagulante.
· Los diferentes materiales empleados para favorecer
la formación de flóculos, se aplicaron en combinación
con el coagulante y oxidante, variando las dosis de los diversos
materiales con el fin de determinar la mejor combinación
entre ellos.
Selección de la mezcla apropiada coagulante/arcilla/oxidante
Se dosificaron 3 tipos de arcilla, dos activadas y una natural, así como dos clases de zeolita una activada y otra natural y finalmente carbón de hueso. En la Tabla 3 se muestran las combinaciones de reactivos y materiales, así como los porcentajes de remoción de arsénico que se obtuvieron en las pruebas de jarras. De acuerdo con estos resultados se comprobó que la mejor dosis corresponde a 80 mg L-1 de coagulante y 500 m L-1 de arcilla verde natural, por ser las cantidades con las que se obtiene la menor concentración de arsénico la cual corresponde a 0.049 mg L-1, valor que cumple con la NOM-127 SSA1.
Tabla 3. Eficiencias de remoción
de arsénico de agua sintética (1 mgL-1).
Efecto del oxidante (hipoclorito de calcio de alta pureza 65- 70%)
Se evaluó el efecto del oxidante en la remoción de arsénico, realizando pruebas de jarras con y sin adición de reactivo. Para ello se emplearon sulfato de aluminio y arcilla verde natural. En la Tabla 4 se presentan las eficiencias de remoción de arsénico obtenidas.
Tabla 4. Efecto del oxidante en la eficiencia de remoción de arsénico.
Tiempo de contacto del oxidante
Por lo que respecta al tiempo de contacto del oxidante con el agua sintética, y empleando la dosis de reactivos selecionada, se pudo apreciar que para diferentes tiempos de contacto, no existe variación apreciable en las concentraciones de arsénico residual. En la Tabla 5 se muestran las concentraciones residuales de arsénico y los porcentajes de remoción para cada tiempo de contacto.
Tabla 5. Influencia del tiempo de contacto del oxidante en la concentración de arsénico.
Cantidad de ayudante de coagulación en agua natural de
Huautla, Mor., y Zimapán, Hgo.
Tomando en consideración que las características fisicoquímicas
del agua natural pueden modificar los parámetros operacionales,
se realizaron pruebas de jarras con la dosis de sulfato de aluminio seleccionada
(80 mgL-1), y variando la cantidad de arcilla.
Con el agua de Huautla, Mor., (0.125 mgL-1), al adicionar diferentes dosis
de arcilla verde, se aprecia que no hay influencia en los porcentajes
de remoción del contaminante, lo cual se debe a que la muestra
no contiene elementos que favorezcan la coagulación (turbiedad,
hierro); no obstante, la concentración de arsénico residual
se encuentra por debajo de la norma, aún cuando los porcentajes
promedio de remoción son del 81% (Tabla 6).
En lo que respecta a la calidad del agua de Zimapán, Hgo., (0.44
mgL-1), se observa una mejora en la eficiencia de remoción del
contaminante al agregar diferentes cantidades de arcilla (Tabla 6).
Estos resultados corroboran que la mejor combinación coagulante/arcilla/oxidante
para el caso del agua procedente de Huautla, Mor., es de 80 mgL-1 de sulfato
de aluminio, 100 mgL-1 de arcilla verde y 0.8 mgL-1 de hipoclorito de
calcio, obteniéndose eficiencias de remoción hasta del 82%.
Para Zimapán, Hgo., la mejor combinación es 80 mgL-1 de
sulfato de aluminio, 500 mgL-1 de arcilla verde natural y 0.8 mgL-1 de hipoclorito
de calcio, lográndose porcentajes de remoción del 94%.
Pruebas con agua natural y la mezcla en forma sólida
en el dispositivo intradomiciliario
Con el fin de que este tratamiento sea aplicable a comunidades rurales,
se escaló la combinación de la mejor mezcla utilizando agua
natural y se realizaron pruebas de remoción de arsénico con
los componentes de la mezcla (coagulante/arcilla/oxidante) en forma sólida,
empleando un dispositivo de veinte litros de capacidad.
Las características de las pruebas con agua natural procedente Huautla, Mor., se resumen en la Tabla 7. Con la combinación coagulante/arcilla/oxidante determinada anteriormente, se realizaron pruebas en el dispositivo variando el gradiente de velocidad y el tiempo de floculación, ya que éstos son parámetros muy importantes que varían de acuerdo a la calidad del agua a tratar. Se emplearon dos gradientes diferentes 14 y 17 vueltas por minuto y tiempos de floculación de 20 y 25 minutos, respectivamente.
Con el fin de disminuir la concentración de aluminio residual,
se realizaron otras pruebas incrementando el gradiente y el tiempo
de floculación (17 vueltas por minuto y 25 minutos), encontrándose
que se rebasa la norma con respecto al aluminio.
Para saber si el aluminio residual del agua tratada se encontraba
en forma particulada o soluble, se filtraron las muestras con papel Whatman
#1 y se observó que el 60% de la concentración total de aluminio
se encuentra en forma particulada y el 40% en forma soluble, por lo que
se recomienda filtrar el agua sobre un lienzo de manta antes de ser consumida
para eliminar el aluminio en forma particulada.
Para el agua de esta localidad se recomienda emplear 80 mgL-1 de sulfato
de aluminio, 100 mgL-1 de arcilla verde natural y 0.5 mgL-1 de hipoclorito
de calcio, aplicando un gradiente de velocidad de 14 vueltas/min y un tiempo
de floculación de 20 min.
Pruebas con agua natural de Zimapán,
Hgo.
En la Tabla 8 se presentan las características del agua
natural de Zimapán. En esta tabla puede observarse que ésta
presenta alto contenido de hierro y turbiedad, elementos que favorecen
el proceso de coagulación-floculación.
Los resultados muestran que la concentración de arsénico
residual en promedio es de 0.046 mgL-1, al variar los parámetros
operacionales (gradiente y tiempo de floculación), el porcentaje
de remoción fue de aproximadamente 90% (Tabla 8). Todos
los demás parámetros se encuentran dentro de los valores
establecidos en la Norma Oficial Mexicana NOM-127 SSA1.
Si se emplea el dispositivo a nivel domiciliario para tratar agua de
esta calidad, se recomienda aplicar dosis de 80 mgL-1 de sulfato de aluminio,
500 mgL-1 de arcilla verde natural y 0.8 mgL-1 de hipoclorito de calcio,
así como un gradiente de velocidad de 14 vueltas por minuto y un
tiempo de floculación de 20 minutos con el fin de asegurar la obtención
de la menor concentración de arsénico residual.
Influencia del tiempo de sedimentación sobre la remoción
de arsénico
La Figura 4 presenta el comportamiento de la concentración
residual de arsénico en función del tiempo de sedimentación
correspondiente a las dos muestras de agua natural una vez tratada. Para
el agua de Huautla, Morelos se observa que a los 30 minutos se obtiene
un valor remanente de 0.057 mgAs L-1 y a partir de los 60 minutos la concentración
residual de arsénico disminuye a 0.047 mg As L-1. Por lo que respecta
al agua de Zimapán, Hgo., después del tratamiento se aprecia
que a los 30 y 60 minutos la concentración de este contaminante
disminuye a 0.11 mgL-1. Por lo tanto, se recomienda que el agua se deje
sedimentar al menos 2 horas y de preferencia toda la noche, a fin de asegurar
la menor concentración de arsénico en el agua tratada.
Pruebas para determinar la cantidad de ayudante
de coagulación
Los resultados presentados en la Tabla 12 y presentados graficamente
en la Figura 5, corroboran que la mejor combinación coagulante/arcilla/oxidante
para el agua natural de Huautla, Mor., es la de 80 mgL-1 de sulfato de
aluminio, 100 mgL-1 de arcilla verde y 0.8 mgL-1 de hipoclorito de calcio,
alcanzándose eficiencias de remoción hasta del 82%.
Por lo que respecta a la calidad del agua de Zimapán, Hgo., se
observa un mejoramiento en la eficiencia de remoción del contaminante
al agregar una mayor cantidad de arcilla (Tabla 9, Figura
5). Por lo tanto, para Zimapán, Hgo., la mejor combinación
de reactivos es 80 mgL-1 de sulfato de aluminio, 500 mgL-1 de arcilla
verde natural y 0.8 mgL-1 de hipoclorito de calcio, lográndose
porcentajes de remoción del 94%.
Figura 5. Influencia de la arcilla en el proceso de coagulación-floculación.
Adaptación del dispositivo y evaluación económica
El dispositivo intradomiciliario fue adaptado para ser utilizado en zonas rurales y consiste en un recipiente de plástico de 20 litros de capacidad, el cual en la parte superior tiene un soporte y una manivela giratoria; el soporte puede ser fabricado de madera, o de polietileno. En la parte exterior del recipiente se adaptó una llave de plástico a una altura de 10 cm del fondo del mismo para recuperar el agua tratada. La Figura 6 muestra las dimensiones del prototipo.
Evaluación económica
En las Tablas 10 y 11 se presentan los desgloses de materiales
que se requieren para el dispositivo, así como los reactivos necesarios
para el tratamiento de agua con baja y mediana concentración de
arsénico. Es importante señalar que el material de empaque
para los reactivos es plástico negro sencillo, se sugiere conseguir
un material más resistente a fin de preservar los reactivos contra
la degradación natural que pueden sufrir por cambios de temperatura
y humedad.
Tabla 10. Estimación
de costos para tratar agua de Huautla, Morelos.
Tabla 11. Estimación de costos para
tratar agua de Zimapán, Hgo.
Es importante señalar que las mezclas de reactivos necesarios para este tratamiento presentan una diferencia mínima en costo ($0.08); sin embargo, debe considerarse que la combinación que incluye 100 mg/l de arcilla no sería efectiva para tratar agua con concentración de arsénico de 0.50 mg/l, por lo que se recomienda el empleo de una mezcla de reactivos en función de la calidad del agua.
Conclusiones
· Las alternativas de tratamiento propuestas en condiciones
controladas de laboratorio con agua sintética logran remover
niveles de arsénico hasta en un 93% utilizando agua de
1 mgAsL-1.
· La efectividad de la mezcla de reactivos
en estado sólido, se validó en el dispositivo intradomiciliario
para tratar 20 litros, empleando agua natural procedente de dos
comunidades. Las muestras de agua presentaban concentraciones de,
aproximadamente, de 0.1 y 0.5 mgAsL-1., y después del tratamiento
se obtuvieron eficiencias de remoción del 70% y 90%, respectivamente.
· La mejor combinación en forma sólida
para tratar agua con baja concentración de arsénico
(0.1 mgAsL-1) en el dispositivo fue: 80 mg/l de sulfato de aluminio,
100 mg/l de arcilla verde natural y 0.8 mg/l de hipoclorito de calcio,
empleando un gradiente de velocidad de 14 vueltas por minuto y
un tiempo de floculación de 20 minutos.
· La mezcla óptima para tratar agua con
mediana concentración de arsénico (0.5 mgAsL-1) empleando
el dispositivo fue de 80 mg/l de sulfato de aluminio, 500 mg/l de
arcilla verde natural y 0.8 mg/l de hipoclorito de calcio, aplicando
un gradiente de velocidad 14 vueltas por minuto y un tiempo de floculación
de 20 minutos.
· El método no es extrapolable, es decir,
que las eficiencias de remoción dependen primordialmente
de las características fisicoquímicas del agua a tratar,
por lo que es necesario realizar pruebas a nivel laboratorio antes
de definir las dosis adecuadas de reactivos para cada tipo de agua.
De los dos tipos de agua natural que se emplearon en estas pruebas,
una de ellas presentaba una alta concentración de hierro
y turbiedad, lo cual favoreció el proceso de remoción
de arsénico.
· Se recomienda investigar la mejor manera de
disponer los residuos de arsénico del tratamiento intradomiciliario.
· Se debe continuar con la aplicación
de los resultados, al menos en las comunidades estudiadas.
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