Para potabilizar agua contaminada con arsénico es necesario analizarla en un laboratorio certificado, identificar la concentración y la forma química del contaminante, y seleccionar un tratamiento capaz de reducirlo por debajo de 0,01 mg/L, equivalente a 10 µg/L. Las opciones más eficaces son la adsorción con medios a base de hierro, la coagulación-floculación seguida de filtración y la ósmosis inversa; el intercambio iónico también puede funcionar, sobre todo cuando el arsénico está presente como As(V) y hay poca competencia de otros aniones.
El arsénico es un metaloide tóxico y cancerígeno que puede encontrarse de manera natural en el suelo, las rocas y las aguas subterráneas. Aunque no tiene color, olor ni sabor, su presencia en el agua puede ser perjudicial para la salud cuando supera determinados niveles. El mayor peligro proviene del arsénico disuelto en el agua potable.
Por qué el arsénico contamina el agua
Tanto las aguas subterráneas naturales como las superficiales pueden contener arsénico, siendo las subterráneas las que suelen presentar concentraciones más altas que las superficiales. El contenido de arsénico en las aguas superficiales es relativamente seguro, y muy pocas fuentes superan los 5 μg/L. Sin embargo, las aguas subterráneas pueden contener niveles mucho más altos de arsénico.
El arsénico es un elemento químico de origen natural que puede encontrarse en el suelo y en las rocas, y que puede pasar al agua subterránea, especialmente en zonas con pozos. Las causas de contaminación también pueden ser humanas, entre ellas las actividades mineras, el uso de pesticidas y la combustión de carbón.
Fuentes industriales y actividades humanas
La producción industrial es una fuente importante de contaminación por arsénico, especialmente en la metalurgia y la minería no ferrosas. Minerales con arsénico, como la arsenopirita, el rejalgar, el oropimente y la enargita, se encuentran comúnmente junto con otros minerales metálicos no ferrosos.
Debido a la liberación natural y a las actividades humanas, especialmente la minería extensiva y el uso de minerales de baja calidad, se generan grandes cantidades de residuos y subproductos con arsénico en la minería y fundición de metales no ferrosos. Estos incluyen polvo con arsénico procedente de la pirometalurgia y residuos de purificación de la hidrometalurgia.
Además, las aguas residuales procedentes de la preparación de ácido sulfúrico, la producción de tintes químicos y pesticidas, el procesamiento de la madera y las industrias del vidrio y la cerámica suelen contener altas concentraciones de arsénico.
Límites de arsénico y comprobación del agua
Según las "Normas para la Calidad del Agua Potable" (GB5749-2006), el contenido de arsénico en el agua potable debe ser inferior a 0,01 mg/L. La Organización Mundial de la Salud recomienda un límite máximo de 10 μg/L de arsénico en el agua de consumo.
| Indicador | Valor límite |
|---|---|
| Arsénico | 0.01 mg/L |
| Cadmio | 0.005 mg/L |
| Cromo hexavalente | 0.05 mg/L |
| Plomo | 0.01 mg/L |
| Mercurio | 0.001 mg/L |
| Selenio | 0.01 mg/L |
| Cianuro | 0.05 mg/L |
| Fluoruro | 1.0 mg/L |
| Nitrato como nitrógeno | 10 mg/L (20 para fuentes de agua subterránea) |
La forma más precisa de saber si hay arsénico en el agua es mediante un análisis en laboratorio certificado, que permita detectar su presencia y concentración exacta. Esto no solo garantiza una evaluación fiable, sino que también te ayuda a elegir el sistema de filtrado más adecuado para tu caso.
Además, es recomendable repetir este análisis cada 12 meses, ya que los parámetros del agua pueden variar con el tiempo y afectar la eficacia del tratamiento.
El arsénico suele presentarse disuelto en el agua como arseniato, As(V), o arsenito, As(III). El As(III) es más difícil de eliminar que el As(V), por lo que muchos sistemas incorporan una etapa previa de oxidación.
Riesgos para la salud
El arsénico puede ingresar al cuerpo humano a través del tracto respiratorio, los alimentos o el contacto con la piel, acumulándose en órganos o tejidos como el hígado, los riñones, los huesos y el cabello. Puede dañar los sistemas digestivo y nervioso.
El consumo prolongado de agua con alto contenido de arsénico puede provocar enfermedades de la piel como queratosis y cambios en la pigmentación, enfermedad del pie negro, trastornos neurológicos, daño vascular y un mayor riesgo de enfermedades cardíacas.
Su ingestión crónica mediante agua potable puede causar problemas graves de salud, desde lesiones cutáneas hasta cáncer. También se han señalado cánceres de piel, vejiga, pulmón y riñón, daño neurológico y en el desarrollo infantil, problemas cardiovasculares y gastrointestinales, alteraciones del sistema inmunológico, manchas en la piel y queratosis.
Incluso exposiciones leves pero continuadas pueden generar consecuencias irreversibles. En regiones como Mongolia Interior, Xinjiang y Taiwán en China, se han registrado niveles de arsénico en el agua potable de 0,2 a 2,0 mg/L, superando significativamente el estándar nacional de agua potable de menos de 0,05 mg/L.
Esto ha provocado una intoxicación endémica por arsénico. Eliminar el arsénico del agua potable es una medida fundamental para prevenir y controlar la intoxicación endémica por arsénico.
Qué hacer según la concentración detectada
| Concentración de arsénico | Medida indicada |
|---|---|
| 0-10 µg/L | Considerado seguro por la OMS. |
| 10-50 µg/L | Riesgo creciente a largo plazo; no beber ni cocinar con esta agua. |
| 50-100 µg/L | Evitar también ducharse prolongadamente. |
| >100 µg/L | No usar para ningún fin doméstico. |
| >300 µg/L | Peligro extremo; el agua debe considerarse inutilizable. |
Cuando el agua supera los 10 µg/L, no se puede beber, y cuando supera los 50-100 µg/L, no podemos usarla para uso doméstico, como ducharnos o lavarnos los dientes.
Cuando la cantidad de arsénico supera >10 µg/L, para estos casos se debe instalar una ósmosis inversa en la cocina, para el agua de beber y cocinar. Cuando el agua supera >50-100 µg/L, se debe colocar un filtro de arsénico en la entrada de la vivienda, que elimine el arsénico del agua de toda la casa y así poder disfrutar de agua limpia, tanto para uso doméstico, como para beber y cocinar.
Preparación del tratamiento: oxidación y prefiltración
El arsénico en su forma trivalente, As(III), es más difícil de remover que en su forma pentavalente, As(V). Por ello, es común primero oxidar el As(III) a As(V) usando oxidantes como el cloro, el permanganato de potasio o el ozono.
Una vez oxidado, el arsénico pentavalente puede ser eliminado eficazmente por filtración o adsorción. La oxidación es un proceso simple y efectivo cuando se combina con otros métodos como la adsorción o la filtración, y mejora la eficiencia de las tecnologías de tratamiento.
El agua se somete a un paso de prefiltración para eliminar cualquier partícula que pueda obstruir la resina de intercambio iónico. Se pueden emplear medidas de pretratamiento, como la filtración multietapa antes de usar los adsorbentes, para mejorar la eficiencia de los métodos de adsorción.
Adsorción con medios a base de hierro
La adsorción utiliza materiales sólidos, normalmente en lechos filtrantes, con alta afinidad química por el arsénico, reteniendo el contaminante en la superficie del medio. El principio de los métodos de adsorción implica el uso de materiales sólidos con altas áreas superficiales específicas e insolubilidad como adsorbentes.
Estos adsorbentes utilizan mecanismos como la adsorción física, la adsorción química o el intercambio iónico para fijar los contaminantes de arsénico del agua en sus superficies, logrando así su eliminación. Existen diversos adsorbentes comerciales y de bajo costo investigados: alúmina activada, hidróxidos de hierro granulados, óxidos de manganeso, entre otros.
Los adsorbentes a base de hidróxido de hierro representan en la actualidad el progreso de la técnica en la eliminación de arsénico para la producción de agua potable. El más extendido a nivel municipal es el medio granular de hierro, por ejemplo, base de óxido férrico, debido a la fuerte afinidad entre el arsénico, especialmente As(V), y la superficie de óxidos de hierro.
Las mayores ventajas son el funcionamiento sencillo y seguro de los filtros de adsorción y la eliminación de arsénico por debajo del límite de detección. La eliminación del arsénico con hidróxido de hierro granulado se realiza de forma selectiva, por lo que la composición natural del agua permanece inalterada.
En este proceso se eliminan tanto el arseniato como el arsenito. Además, no se generan corrientes de aguas residuales ni lodos contaminados durante la operación. Los sistemas de adsorción son sencillos de operar y de bajo costo energético, ya que funcionan a presión por gravedad o bombeo modesto.
La adsorción bien diseñada puede lograr remociones superiores al 90% del arsénico disuelto. En la práctica, los filtros con medios de hierro o alúmina suelen reducir concentraciones desde 50-100 µg/L hasta por debajo de 10 µg/L sin dificultad, cumpliendo la norma.
Algunos adsorbentes de nueva generación muestran eficacias incluso cercanas al 99% en estudios de laboratorio, aunque en campo la eficiencia promedio ronda 90-95%. Muchos sistemas de adsorción pueden alcanzar la meta de 10 μg/L en el efluente siempre que se reemplacen los medios a su debido tiempo.
Ventajas y limitaciones
- Diseño de un sistema simple con un modo de operación sencillo.
- Gran capacidad gracias a la alta selectividad para el arsénico.
- Elevada disponibilidad del sistema y un reducido requerimiento de mantenimiento.
- Fácil eliminación sin tratamiento de lodos.
- Los medios de hierro tienen alta capacidad y retienen firmemente el arsénico, lo que permite una disposición final segura del medio gastado.
- La adsorción es modular y escalable: resulta ideal para sistemas pequeños o medianos que no justifican una planta compleja.
La principal limitante es que el medio adsorbente se agota con el uso. Es necesario reemplazar o regenerar, si es posible, el material periódicamente, generando un residuo sólido que contiene arsénico concentrado.
Este residuo requiere disposición adecuada, normalmente en rellenos autorizados como residuo peligroso. La vida útil depende de la matriz de agua y el adsorbente debe ser reemplazado a intervalos regulares.
La eficacia de los métodos de adsorción puede verse afectada por la materia orgánica, el pH, la forma y concentración de arsénico en el agua, y la presencia y concentración de otros iones. Por ejemplo, elevadas concentraciones de sulfato, fosfato, silicato o un pH fuera del rango óptimo pueden disminuir la capacidad del adsorbente.
Estudios han mostrado que a pH alcalino, aproximadamente 8.2, la capacidad de adsorción de medios como la alúmina activada cae a solo 2-5% de su capacidad óptima, lo que evidencia la sensibilidad a las condiciones del agua. Debido a su reducida capacidad y a la peligrosidad del aluminio disuelto, la alúmina activada ya no se utiliza actualmente.
Coagulación, floculación y filtración
El principio de los métodos de coagulación consiste en utilizar coagulantes con una alta capacidad de adsorción para adsorber el arsénico, convirtiéndolo en un precipitado. Este precipitado se separa del agua mediante filtración y otros medios.
En el proceso de floculación suelen utilizarse sales de hierro o de aluminio. Éstas se precipitan y se filtran en el agua bruta. El arsénico disuelto se adhiere a la superficie de los flóculos filtrables y, por lo tanto, se elimina del agua bruta.
La coagulación química seguida de floculación y filtración consiste en añadir coagulantes, por ejemplo, sales de hierro o aluminio, al agua para formar hidróxidos precipitados que arrastran el arsénico, ya sea por co-precipitación o por adsorción sobre los flóculos formados. Posteriormente, estos flóculos arsenicales se eliminan mediante sedimentación y filtración.
Los métodos de coagulación son rentables, fáciles de usar y altamente eficientes en la eliminación del arsénico. La coagulación-floculación es apropiada para grandes caudales y, al integrarse en plantas convencionales, puede simultáneamente remover otros contaminantes.
Junto con el arsénico se eliminan turbidez, materia orgánica e incluso microorganismos patógenos, como virus y bacterias, durante el proceso. El costo de los reactivos, principalmente coagulantes, es relativamente bajo.
Bien operado, este método suele eliminar en torno al 90% del arsénico presente. En condiciones óptimas, con pH ajustado y arsénico oxidado a As(V), es posible reducir concentraciones de 400 µg/L hasta lograr <10 µg/L en el efluente, con una eficacia igual o superior al 97%.
Desventajas de la coagulación
Los métodos de coagulación requieren grandes cantidades de coagulantes, generan cantidades significativas de lodos residuales con arsénico que son difíciles de manejar y, si se acumulan con el tiempo, pueden provocar contaminación secundaria.
Los lodos filtrados deben continuar siendo tratados y finalmente serán eliminados de acuerdo con la normativa local, dependiendo del contenido de arsénico, como residuo o residuo peligroso. Se necesita personal capacitado para dosificar los químicos y ajustar el pH dentro del rango óptimo de coagulación.
La inversión inicial en equipos, tanques de mezcla, floculadores, decantadores o filtros, y el espacio físico necesario pueden ser significativos, lo que dificulta su implementación en localidades pequeñas sin plantas de tratamiento existentes.
Debido a la alta complejidad técnica, este proceso es particularmente interesante para plantas de tratamiento muy grandes. No es adecuado para plantas de tratamiento del agua pequeñas.
Precipitación química
El principio de los métodos de precipitación consiste en utilizar reacciones químicas para convertir el arsénico en un precipitado, que posteriormente se elimina mediante filtración.
Los métodos de precipitación ofrecen claras ventajas para el tratamiento preliminar de aguas residuales industriales con alto contenido de arsénico, pero no son adecuados para tratar trazas de arsénico en agua potable.
Las aguas residuales tratadas con arsénico suelen requerir métodos adicionales de tratamiento profundo para cumplir con las normas de vertido. La precipitación química y la coagulación requieren un control cuidadoso de la dosis de coagulante y de las condiciones de operación para ser eficientes.
Ósmosis inversa y otras membranas
La ósmosis inversa es uno de los métodos más efectivos para la eliminación de arsénico. En este proceso, el agua contaminada pasa a través de una membrana semipermeable que retiene las partículas, incluyendo el arsénico, y permite el paso únicamente del agua tratada.
Utilizando altas presiones, el procedimiento por membrana elimina los componentes del agua por exclusión de tamaño e interacción con el material de la membrana. Para eliminar el arsénico de forma segura, se requiere un reducido tamaño de los poros de las membranas de nanofiltración u ósmosis inversa.
La ósmosis inversa puede eliminar hasta el 99% del arsénico presente. También elimina otros contaminantes como metales pesados y sales, por lo que puede ser una opción adecuada cuando el agua contiene varios contaminantes además del arsénico.
La ósmosis inversa es una tecnología consolidada en el tratamiento de las aguas, ofrece un diseño modular y fácilmente escalable, y puede utilizarse en hogares, comunidades o industrias con altos niveles de este contaminante.
Limitaciones de las membranas
El arsénico se retiene junto con otros componentes del agua que no pueden pasar a través de las membranas y se elimina por una corriente de aguas residuales. El flujo de concentración debe seguir tratándose.
La eliminación no selectiva no solo cambia el contenido de arsénico, sino también la composición del agua, que dependiendo del uso que se le dé al agua puede ser intencionada o perjudicial. El agua bruta se desaliniza total o parcialmente.
La ósmosis inversa usualmente requiere pretratamiento, puede generar residuos de agua de rechazo que contienen altas concentraciones de arsénico, presenta alta demanda de energía y necesita una tecnología de sistema compleja con elevados costes de inversión.
Su funcionamiento requiere personal adicional especialmente capacitado. Puede requerir pretratamiento si hay muchos sólidos disueltos y presenta menor eficacia con As(III), por lo que es mejor oxidarlo primero.
Intercambio iónico
El principio del método de intercambio iónico consiste en el uso de resinas de intercambio aniónico con iones intercambiables que reaccionan con los iones de arsénico presentes en el agua para eliminar el arsénico.
La resina intercambia iones benignos, por ejemplo cloruros o hidroxilos, por los aniones de arsénico en el agua, reteniendo el contaminante en sus sitios activos. Una vez saturada, la resina se regenera pasando una solución concentrada, salmuera, que expulsa el arsénico adsorbido y reactiva la resina para su reutilización.
Este método produce solo el 20 % del volumen de lodos en comparación con los métodos de precipitación química, lo que reduce significativamente los costos de eliminación de lodos. Además, ofrece una gran capacidad de tratamiento, es fácil de operar, fácil de regenerar y presenta una buena eficiencia de separación.
Las resinas aniónicas fuertes pueden remover 90-95% del arsénico en forma arsenato, As(V), en aguas con baja competencia iónica. En condiciones ideales, el efluente puede alcanzar niveles trazas, <10 µg/L.
Mientras el arsénico esté presente en el agua como arseniato, está cargado y en principio puede ser eliminado por intercambiadores de iones, pero la eliminación de arsenito no es posible. Por ello, se requiere oxidar As(III) a As(V) antes del tratamiento.
Factores que limitan el intercambio iónico
La efectividad puede disminuir con altas concentraciones de otros contaminantes. Si el agua contiene otros aniones en concentraciones significativas, como sulfatos, nitratos o fluoruro, estos competirán con el arsénico por los sitios de la resina.
La selectividad de las resinas por el arsénico es relativamente baja y la presencia de sulfato reduce considerablemente la capacidad de remoción de arsénico. Muchas aguas subterráneas con arsénico también contienen altos sulfatos o sólidos disueltos totales, lo que agota rápidamente la resina con otros iones antes que con el arsénico.
La regeneración requiere productos químicos y produce soluciones que contienen arsénico y que necesitan un tratamiento adicional. Manejar este residuo líquido puede ser logísticamente y ambientalmente problemático.
Las resinas aniónicas especiales para arsenato son costosas y tienden a degradarse con regeneraciones sucesivas. En suma, el intercambio iónico para arsénico implica costos operativos elevados y suele no ser tan rentable comparado con alternativas como la adsorción.
Métodos biológicos
El principio de los métodos biológicos implica el uso de cepas bacterianas especiales que producen sustancias similares a los lodos activados durante su cultivo. Estas sustancias se unen al arsénico mediante la floculación, formando un precipitado que permite su eliminación.
Sin embargo, el ciclo de cultivo de estas cepas bacterianas es largo y requiere condiciones ambientales rigurosas. Por lo tanto, los métodos biológicos se utilizan generalmente para la eliminación de arsénico en aguas residuales, con escasas aplicaciones reportadas para el agua potable.
Comparación de los principales métodos
| Método | Principio | Ventajas | Desventajas | Aplicaciones |
|---|---|---|---|---|
| Biológico | Bacterias especiales producen sustancias que se unen con arsénico para formar precipitados. | Eficaz para arsénico en aguas residuales eliminación. | Ciclo de cultivo largo, estrictas normas ambientales requisitos. | Aguas residuales tratamiento |
| Coagulación | Los coagulantes se adsorben arsénico, formando un precipitado que es luego filtrado. | Rentable, fácil de operar, alta eficiencia. | Requiere grandes cantidades de coagulantes, produce lodos residuales importantes, potencial para contaminación secundaria. | Industrial y agua potable |
| Precipitación | Reacciones químicas convierten el arsénico en un precipitado que es filtrado. | Eficaz para aguas industriales con alto arsénico. | No apto para trazas de arsénico en el agua potable. | Tratamiento de aguas residuales industriales |
| Adsorción | Materiales sólidos con gran superficie adsorben arsénico mediante mecanismos físicos o químicos. | Eficaz para varias concentraciones de arsénico y adaptable a medidas de pretratamiento. | Influenciado por la materia orgánica, el pH y otros iones; materiales adsorbentes costosos. | Tratamiento de agua potable y aguas residuales |
| Intercambio iónico | Las resinas de intercambio aniónico intercambian iones con los iones de arsénico en el agua. | Baja producción de lodos, gran capacidad de tratamiento, fácil operación y buena separación. | Requiere regeneración de resinas, potencial de alto costo inicial y tratamiento de la salmuera contaminada. | Aplicaciones amplias |
| Ósmosis inversa | Una membrana semipermeable retiene arsénico y otros componentes bajo presión. | Alta eficiencia, eliminación de múltiples contaminantes y diseño modular. | Alto consumo energético, rechazo concentrado, pretratamiento y personal capacitado. | Agua doméstica, comunitaria e industrial |
Cómo elegir el sistema adecuado
Al elegir el método más adecuado para la eliminación de arsénico en el agua, es importante tener en cuenta la concentración inicial de arsénico, el presupuesto, el volumen de agua a tratar, el mantenimiento y la disponibilidad de productos químicos específicos.
Algunos métodos son más efectivos en concentraciones altas o bajas. Las soluciones para hogares individuales pueden diferir de las opciones adecuadas para grandes volúmenes, y algunas tecnologías requieren un mayor mantenimiento o la disponibilidad de productos químicos específicos.
- Agua doméstica con arsénico superior a 10 µg/L: la ósmosis inversa puede instalarse en la cocina para el agua de beber y cocinar.
- Agua con concentraciones superiores a 50-100 µg/L: puede ser necesario tratar toda el agua en la entrada de la vivienda.
- Caudales pequeños o medianos: la adsorción con medios de hierro ofrece operación sencilla, bajo consumo energético y diseño modular.
- Grandes caudales municipales: la coagulación-floculación-filtración puede ser apropiada cuando ya existe infraestructura y personal capacitado.
- Agua con varios contaminantes: la ósmosis inversa o un sistema de tratamiento multietapa puede ser más conveniente.
- Agua con As(III): debe considerarse una etapa de oxidación antes de la adsorción, la coagulación, el intercambio iónico o la ósmosis inversa.
Proceso de intercambio iónico paso a paso
- Oxidación: se añade un agente oxidante al agua subterránea que contiene arsénico.
- Preoxidación: este paso convierte el arsénico (III) en arsénico (V), que se elimina más fácilmente mediante resinas de intercambio iónico.
- Prefiltración: el agua se somete a un paso de prefiltración para eliminar cualquier partícula que pueda obstruir la resina de intercambio iónico.
- Resina de intercambio iónico: el agua prefiltrada pasa a través de una resina de intercambio iónico, donde los iones de arsénico se intercambian con otros iones en la resina, eliminando eficazmente el arsénico del agua.
- Retrolavado: el sistema de intercambio iónico se lava a contracorriente periódicamente para eliminar los contaminantes acumulados en la resina.
- Gestión del agua residual: el agua de lavado a contracorriente se trata como agua residual.
- Agua tratada: el agua tratada, ahora libre de arsénico, se recoge como agua de salida lista para su uso.
Planta de tratamiento de Arsénico
Control, mantenimiento y gestión de residuos
El rendimiento de cualquier sistema depende de la calidad del agua de entrada, la forma química del arsénico, el pH, la materia orgánica, la concentración de otros iones y el caudal tratado. La eficacia puede disminuir si no se controla la dosis de coagulante, si se satura el medio adsorbente o si las membranas se obstruyen.
Los medios adsorbentes deben reemplazarse a intervalos regulares. Las resinas deben regenerarse periódicamente con soluciones químicas específicas, y las membranas requieren pretratamiento y control del flujo de rechazo.
Los lodos filtrados, las salmueras de regeneración, el agua de retrolavado y el rechazo de la ósmosis inversa pueden contener concentraciones elevadas de arsénico. Estos residuos deben recibir tratamiento y eliminación conforme a la normativa local.
No basta con instalar un filtro: es necesario verificar mediante análisis de laboratorio que el agua tratada cumple el límite aplicable. También es recomendable repetir el análisis cada 12 meses, ya que los parámetros del agua pueden variar con el tiempo y afectar la eficacia del tratamiento.
Qué métodos no eliminan el arsénico
Los filtros portátiles de agua que utilizan una membrana o fibra interna permiten eliminar bacterias y protozoos presentes en agua de ríos, lagos o manantiales, pero no deben considerarse una solución para el arsénico disuelto salvo que el fabricante aporte una certificación específica para este contaminante.
Las pastillas potabilizadoras liberan compuestos que eliminan bacterias, virus y algunos protozoos presentes en el agua. Los purificadores de agua UV utilizan luz ultravioleta para destruir virus, bacterias y protozoos, pero estos métodos no eliminan el arsénico disuelto.
Hervir el agua tampoco elimina el arsénico; al evaporarse parte del agua, la concentración del contaminante puede aumentar. Por ello, el agua de pozo o de una fuente natural con posible contaminación por arsénico debe analizarse y tratarse con una tecnología específica.
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