Abatimiento de Arsénico versión...
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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©
Contenidos
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Selección de sistemas de
SORCIÓN para
REMOVER
ARSÉNICO de fuentes
de agua potable
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ALEJANDRA VEGA
asvega
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ing.puc.cl_____________
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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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Motivación Sistemas de Tratamiento Modelo Residuos Conclusiones
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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
Motivación Sistemas de Tratamiento Modelo Residuos Conclusiones
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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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Motivación Sistemas de Tratamiento Modelo Residuos Conclusiones
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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
Motivación Sistemas de Tratamiento Modelo Residuos Conclusiones
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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
Motivación Sistemas de Tratamiento Modelo Residuos Conclusiones
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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
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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
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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.
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Muchas Gracias
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PONTIFICIAPONTIFICIAPONTIFICIAPONTIFICIA
UNIVERSIDADUNIVERSIDADUNIVERSIDADUNIVERSIDAD
CATÓLICACATÓLICACATÓLICACATÓLICA
DE CHILEDE CHILEDE CHILEDE CHILE