Abatimiento de Arsénico versión páginaingenieria.uchile.cl/documentos/presentacion-avega-as-uchile-mop...Especiación del Arsénico 6 • As tiene química compleja con especies

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“Selección de sistemas de sorciónpara remover arsénico de fuentes

de agua potable”

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Seminario UCh-UC-DGA. Avances y Desafíos en la Problemática

del Arsénico- Santiago, Chile, 20 de Junio de 2014

PONTIFICIAPONTIFICIAPONTIFICIAPONTIFICIA

UNIVERSIDADUNIVERSIDADUNIVERSIDADUNIVERSIDAD

CATÓLICACATÓLICACATÓLICACATÓLICA

DE CHILEDE CHILEDE CHILEDE CHILE

Alejandra Vega ContrerasIngeniero Civil, PhD©

[email protected]

Contenidos

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Selección de sistemas de

SORCIÓN para

REMOVER

ARSÉNICO de fuentes

de agua potable

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Motivación Sistemas de Tratamiento Modelo Residuos Conclusiones

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As “time-bomb” → 226 millones de personas en riesgo (3%)

Fuente: Murcott S., 2012

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Ocurrencia de As en Chile

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Concentraciones de

Arsénico que

exceden en al menos

un 10% de las

muestras los valores

de:

Fuente: Elaboración propia datos DGA

Arsénico en agua superficial y subterránea en Chile. Problema se centra

en zona de escasez hídrica

Desafío país: disponer de agua suficiente y segura


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___________ Bajo LD

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As en fuentes de agua limita su uso:

Tema de sustentabilidad

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• Normas más estrictas → Mayor seguridad de la población

Se baja estándar de concentración máxima de As en agua potable de 50 ppba 10 ppb.

• Aumenta la demanda de agua por crecimiento urbano

1980 2020

Nch 409/Of. 70

As= 0.12 ppm

OMS

0.2 ppm (1958)

0.05 ppm (1963)

1984

Nch 409/Of. 84

As= 0.05 ppm

0.01 ppm

OMS (1993)

EPA (2001)

1993

EPA

0.05 ppm (1975*)

Nch 409/Of. 2005

As= 0.01 ppm

2005 2012

Plazo Máximo

As= 0.03 ppm

2017

Plazo Máximo

As= 0.01 ppm

Gradualidad en la

aplicación de la norma

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Ordenes de magnitud para el diseño de los sistemas de tratamiento

Especiación del Arsénico

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• As tiene química compleja con especies disueltas y en fase sólida

– As(III) y As(V) inorgánico son las especies disueltas predominantes

– As sorbido o coprecipitado con óxidos de Fe y Al

– As sorbido a minerales de sulfuro

• Interacción con otras especies y transformaciones:• La transformación de

una especie a otra está controlado por distintos factores fisicoquímicos: Cada agua tiene su dinámica

• Toxicidad y tratamiento varía con la especiación Fuente: Elaboración propia

arsina > arsénico (III) > arsénico (V) (Mondal et al. 2006)

Más Tóxico


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Diversas variables – Control de contaminantes en agua potable

Fuente: Schmelling and Gutierrez, 2002

Tratamiento

Gestión de la

Fuente

Sistema de

Distribución

Gestión de

residuos

Estrategias de

control

Técnico

Impacto Medio

Ambiente

Político/ Social

Económico

Marco de Gestión de Contaminantes en

agua potable: Sistema de tratamiento es

sólo una parte

Consideraciones técnicas- Estudio de Calidad del agua- Alcance de estándares- Operación y mantenimiento- Seguridad y confiabilidad

Variables de decisión involucradas


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Sistemas de tratamiento

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Sorción -Coprecipitación

Membranas

Tecnología

Oxidación / Precipitación

Coagulación / Filtración

Sorción en lecho fijo

Adsorción Intercambio Iónico

Nanofiltración Osmosis Inversa


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One size fits all � Traje a la medida

(talla única) (mejor ajuste- más óptimo)

�

Hay que considerar la calidad del Agua a tratar:- Especiación de As- pH- Presencia de otras especies- Concentración Fe → Remoción Fe = Remoción AsGeneración de residuosCostoFacilidad de implementar en el sistema actual


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Fuente: Treatment Technologies for Arsenic Removal, EPA Office of Research and Development, National Risk Management Research Laboratory


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Adsorción

• Arsénico puede ser removido pasando agua a través de un medio

granular contenido en un reactor a presión.

• La adsorción es un proceso de transferencia de masa, donde las

sustancias son acumuladas en la interface sólido/líquido

• Muchas escalas involucradas

11Motivación Sistemas de Tratamiento Modelo Residuos Conclusiones

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Planta de sorción

Sorbente en el reactor

Microescala –superficie del

sorbente

Porque Adsorción?

12Motivación Sistemas de Tratamiento Modelo Desechos Conclusiones

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Ventajas Desventajas• Altas eficiencias de remoción• Seguro, simple y costo-efectivo• Barato (depende del costo del

adsorbente)• Desarrollo de nuevos sorbentes

baratos (oportunidades - flexible)• No se requieren químicos adicionales• No hay problema de disposición

diaria de desechos• La eficiencia no decae drásticamente

en presencia de sulfato, como los métodos de intercambio iónico

• Regeneración periódica del adsorbente

• Descarte de material gastado

• Monitoreo “filter bed”• Necesidad de medio

sorbente a la medida (Taylor)

• Interferencias

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Diseño del sistema sorción

• Elección del medio sorbente - Calidad del agua a tratar

• Capacidad de remoción para las características particulares de la

calidad del agua de la fuente.

• Pre- tratamiento – Oxidación, Ajuste de pH

• Capacidad de remoción varía con el pH y especiación, pre-

tratamientos implican mayores costos sin embargo tiene ventaja

en relación a regeneración o reemplazo del medio

• Disposición de residuos - Regeneración vs. disposición

• Sistema de control - automática o manual

• Costos – Inversión y operación

• Diseño del reactor y configuración


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Revisión Literatura Medios

sorbentes-Artículos científicos

-Patentes-Vendedores

Calidad del agua a tratar

-Especiación de As- pH

- Interferentes

Problema : As en fuente de Agua Potable (>10 ppb)Solución : Tratamiento por proceso de adsorción

“Screening” medios / Selección- Capacidad

- Cinética- Comportamiento ante interferentes y pH

- Factibilidad y costos

Pruebas Batch y columnas de laboratorio / Acotar selección

-Costos -Residuos (TCLP)

Promedio y variaciones; históricos, campaña a terreno

Información de terceros

Información propiaCapacidad para calidad de agua a tratar (sintética y cruda/real)TamañoÁrea superficial específicaCarga superficialComportamiento frente a interferentes y pHCostos

Prueba Piloto-Costos

-Residuos (TCLP)Optimizar sistema y control


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Tipos de medios de sorción: Múltiples

• Zeolitas• Piedras calizas• Bauxita• Silicatos• (hidro)óxidos de Fe • Materiales naturales o sintéticos recubiertos

por óxidos metálicos• Biosorbentes (chitin, conchas de moluscos)• Sorbentes comerciales (AA, carbón activado)


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Múltiples Tipos de sorbentes "Es el mejor"

Criterio de selección

• Desempeño → Calidad del agua• As(III) vs. As(V)• Interferentes

• Cinética de reacción• Costo del medio• Regeneración o disposición• Disposición de residuos (agua de lavado y

medio) → Peligrosos vs. no peligrosos


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Complejidad reactividad

química

Complejidad de transporte

y reacción en columnas y al

interior del medio

Reacciones entre As y el medio complejas:

Herramienta tecnológica que busca predecir remoción de As por distintos medios sorbentes y calidades del agua (elegir sorbente a la medida)Etapa 1: Reactividad químicaEtapa 2: Transporte advectivo y difusivo


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Modelación Reactividad Química

• Modelos empíricos, ampliamente utilizados en la literatura logrando un buen ajuste para condiciones específicas.

• Isoterma de Langmuir• Isoterma de Freundlich

• Modelo complexación superficial, modelo más complejo que considera interferencias y efecto de la carga de la superficie)

• Reacciones termodinámicas• Balances de masa• Constantes de equilibrio• Sitios superficiales disponibles

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¿por qué las diferencias de desempeño en distintas aguas?

Representación esquemática de modelo de complejación de As sobre medio sorbente19

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Ecuaciones e interferentes

2020

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___________ Vanadio

Fe(II)

Si


Carbonato

Fosfato

Arsenato

Arsenito

Protonación y deprotonación de sitios superficialesEl modelo es capaz de considerar el efecto en

cambios de la calidad del agua:-Interferentes -pH-Carga de la superficie

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-200

20406080

100120140160180200

0 10 20 30 40 50

mg

As(

III)g

-1

As en equilibrio (ppm)

Isoterma de sorción As en HFO

pH-7

Ajuste

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 5 10 15 20 25 30

mg

As(

III)g

-1

As en equilibrio (ppm)

Isoterma de sorción As en HFO

pH = 7

Ajuste

-Para ajustar el modelo se estima el numero de sitios disponibles por medio sorbente

-Se observa buen ajuste para As(V) y mezcla de As(III) y As(V).

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Requiere mayor validación

0

20

40

60

80

100

4.5 17 33

% r

em

oci

ón

de

As

SiO2 (mg/L)

Berhe, 2009

modelo pH 8

- Predicción del modelo, sólo ajuste de sitios máximos de sorción para condición SiO2=0

- As inicial 240 µg/L, pH = 8 y 0.2 g/L de arena recubierta con óxidos de fierro.

- Se observa sobre-estimación de sorción a bajas conc. de Si y subestimación a altas conc.

0

20

40

60

80

100

120

0 4.5 17 33 45

% r

em

oci

ón

de

As

SiO2 (mg/L)

pH 6

pH 8

pH 10

- Predicción efecto del pH en la sorción de As y en la interferencia de Si

- Al aumentar hay mayor efecto competitivo con Si a la vez que hay menor sorción de As.

Fuente: Holm, 2002

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Predice comportamiento de As frente a pH

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Fe=1mMFuente: Elaboración propia

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-Capacidad de sorción de las isotermas en medios completamente mezclados difiere de las observadas en pruebas piloto de columnas.-El modelo sirve para predecir el efecto de interferentes-Posteriormente se debe realizar prueba piloto y modelo con transporte, considerando la cinética de las reacciones.

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Caso de estudio : Uso de tecnología de sorción y desarrollo de medios sorbentes para remoción de As

Proyecto Fondef D07I1140

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Residuos

• Residuos sólidos– Lodos– Medio– Membranas

• Disposición– Rellenos sanitarios– Estabilización– Mezcla con residuos biológicos agropecuarios– Disposición Aireación Pasiva– Disposición en estanques o lagunas– Disposición directa en suelo

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Figure :Arriba, planta de agua Potable de Antofagasta. Abajo, lodos arsenicados

Residuos

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Los test de lixiviación pobres predictores del potencial de lixiviación de losdesechos a largo plazo. Ignoran las condiciones en los ambientesparticulares de disposición final. Se ha detectado liberación de As enpercolados y gases de rellenos sanitarios (Pinel-Raffaitin, 2007).

Fuente: Clancy, 2013

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Conclusiones / Oportunidades

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- Necesitamos herramientas específicas para optimizarel tratamiento de As.

- Se necesita medios sorbentes a la medida para cadatipo de agua para ser costo-efectivas.

- La selección de medios requiere pruebas batch y usode modelos para interpretarlas. Después se requierepruebas piloto.

- “One size does not fit all”: Existe espacio para laadaptación de los nuevos sistemas ytroubleshooting/optimización de los sistemasactuales.

- Gestión sustentable de residuos generados!

Referencias• Pinel-Raffaitin, P.; Le Hecho, I.; Amouroux, D.; Potin-Gautier,M. Distribution and fate of inorganic and organic arsenic species in

landfill leachates and biogases. Environ. Sci. Technol. 2007, 41 (13), 4536−41.• Jing, C.; Liu, S.; Meng, X. Arsenic remobilization in water treatment adsorbents under reducing conditions: Part I. Incubation study.

Sci. Total Environ. 2008, 389 (1), 188−94.• Badruzzaman, A. B. M., Leaching of arsenic from wastes of arsenic removal systems. In Fate of Arsenic in the Environment;

Ahmed, M. F., Ed.; Bangladesh University of Engineering and Technology, The United Nations University, 2003.• Kumpiene J, Desogus P, Schulenburg S, Arenella M, Renella G, Brännvall E, Lagerkvist A, Andreas L, Sjöblom R. Utilisation of

chemically stabilized arsenic-contaminated soil in a landfill cover. Environ Sci Pollut Res Int. 2013 ,20(12),8649-62• Tara M. Clancy, Kim F. Hayes, and Lutgarde Raskin. Arsenic Waste Management: A Critical Review of Testing and Disposal of

Arsenic-Bearing Solid Wastes Generated during Arsenic Removal from Drinking Water. Environ. Sci. Technol. 2013, 47, 10799−10812• Bodwell, J.E., Kingsley, L.A., Hamilton, J.W., 2004. Arsenic at very low concentrations alters glucocorticoid receptor (GR)-mediated

gene activation but not GR-mediated gene repression: Complex dose-response effects are closely correlated with levels of activatedGR and require a functional GR DNA binding domain. Chemical Research in Toxicology 17, 1064-1076.

• Holm T. Effects of CO₃²⁻/bicarbonate, Si, and PO₄³⁻ on Arsenic sorption to HFO. 2002. American Water Works Association, Vol. 94, No. 4, pp. 174-1

• Yonas Berhe Gebreyowhannes, 2009, Effect of Silica and pH on Arsenic Removal by Iron-Oxide Coated Sand• Mohana D., Pittman C. Jr. Arsenic removal from water/wastewater using adsorbents—A critical review. Journal of Hazardous

Materials 142 (2007) 1–53.• Dzombak, D.A., Morel, F.o., 1990. Surface complexation modeling : hydrous ferric oxide. Wiley, New York.• Jang, J.H., Dempsey, B.A., 2008. Coadsorption of arsenic(III) and arsenic(V) onto hydrous ferric oxide: Effects on abiotic oxidation

of arsenic(III), extraction efficiency, and model accuracy. Environmental Science & Technology 42, 2893-2898.• Dixit, S., Hering, J.G., 2006. Sorption of Fe(II) and As(III) on goethite in single- and dual-sorbate systems. Chemical Geology 228, 6-

15.• Vangeen, A., Robertson, A.P., Leckie, J.O., 1994. Complexation of Carbonate Species at the Goethite Surface - Implications for

Adsorption of Metal-Ions in Natural-Waters. Geochimica Et Cosmochimica Acta 58, 2073-2086.• Swedlund, P.J., Webster, J.G., 1999. Adsorption and polymerisation of silicic acid on ferrihydrite, and its effect on arsenic

adsorption. Water Research 33, 3413-3422.• Liger, E., Charlet, L., Van Cappellen, P., 1999. Surface catalysis of uranium(VI) reduction by iron(II). Geochimica Et Cosmochimica

Acta 63, 2939-2955. • Han, Y.-S.; Demond, A. H.; Hayes, K. F. Impact of dissolved silica on arsenite removal by nano-particulate FeS and FeS-coated

sand. Chemosphere 2013 Jul;92(4):477-81.• Jeong, H. Y.; Han, Y.-S.; Park, S. W.; Hayes, K. F. Aerobic oxidation of mackinawite (FeS) and its environmental implication for

arsenic mobilization. Geochim. Cosmochim. Acta 2010, 74 (11), 3182− 3198. 28

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Muchas Gracias

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