Tratamiento de Aguas Residuales

Bioadsorcin de metales pesados de aguas cidas de minas (I)Sobre residuos de levaduras cervecerasM. Garca Roig, F. I. Ramrez Paredes y T. Manzano MuozDpto. de Qumica Fsica. Facultad de Ciencias Qumicas. Universidad de Salamanca 1. Introduccin La contaminacin por aguas de drenaje cidas que contienen metales pesados es un problema comn en muchas zonas metalognicas y particularmente importante en explotaciones mineras de carbn o de metales [1]. En las minas a cielo abierto tiene lugar un proceso natural aerobio de biolixiviacin debido a la existencia en el terreno de determinados microorganismos y de agua (de escorrentas que circulan a travs de cortas, filones pirticos y escombreras). Las reacciones redox de tipo bioqumico que constituyen este proceso de biolixiviacin [2-5] provocan la formacin de cido sulfrico a partir de los sulfuros metlicos presentes en los residuos minerales [2], con la consecuente disminucin del pH del agua y la solubilizacin de los metales pesados que pueden llegar a difundirse en forma de contaminacin metalogentica a masas de agua prximas ms extensas (ros, embalses). Si bien las minas son fenmenos locales y sus mayores impactos sobre los ecosistemas terrestres y acuticos son fundamentalmente de carcter local, no siempre es as y la dispersin de los metales pesados puede llegar a ser regional e incluso ms global. Las minas generan grandes cantidades de rocas y escombreras que deben depositarse sobre la tierra o en los ecosistemas acuticos. Los resultados principales en trminos de contaminacin por metales pesados son reas de tierras contaminadas baldas, aguas cidas ricas en metales surgidas a partir de residuos y escombreras depositadas sobre el terreno y la consecuente contaminacin de tierras, lagos, ros y reas costeras. En este sentido, y como triste ejemplo, en Espaa, la dispersin de la contaminacin por metales pesados y sus nocivos efectos a lo largo de la cuenca del ro Guadiamar y del coto de Doana tuvo su causa en la rotura del embalse de las aguas cidas de la mina de Aznalcllar (Sevilla). Un primer objetivo de este trabajo ha sido la identificacin y evaluacin de problemas de contaminacin metalognica en aguas superficiales de diferentes zonas mineras de las provincias de Salamanca y Zamora, donde existen menas de W, U, Sn, Bi, etc., que en la actualidad han dejado de explotarse y que mantienen cortas a cielo abierto desde hace bastantes aos, con volmenes ms o menos importantes de agua retenida, y escombreras, en algunos casos, de notable magnitud. Dada la creciente percepcin de los riesgos que conlleva la contaminacin ambiental por metales pesados, en los casos evaluados positivamente (drenajes cidos de las minas Merladet y F en la provincia de Salamanca), nuestro segundo objetivo sera investigar la capacidad de biorremediacin de dichas aguas cidas de mina mediante procesos de bioadsorcin por biopolmeros abundantes y baratos.1.1. Bioadsorcin de metales

Se ha caracterizado la composicin qumica y los estados fisicoqumico y ecolgico de las aguas cidas de dos minas a cielo abierto de la cuenca del ro Duero. Asimismo, se han establecido las condiciones para la obtencin y manipulacin adecuadas de diferentes residuos biolgicos, abundantes y baratos, que se muestren tiles para la descontaminacin de metales pesados de dichas aguas cidas. Se ha ensayado, a escala de laboratorio (80 Co 110 67 33 11 5 4 3 Mn % 2,4 38 37 3,5 0,2 2,7 3,2 Co 87 61 36 9 2,6 1,0 0,5 Ni % 42 15,8 44 9 11 16 40 Co 118 70 45 12 5,4 4 3,6 Zn % 12 7 0 0 0 0

Co: concentraciones expresadas en p.p.m.

Considerando la abundancia y el bajo coste del residuo de levaduras cerveceras, se eligi esta biomasa de

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Saccharomyces cerevisiae como primer candidato con el que estudiar la biorremediacin de estas aguas cidas de minas. Dado que Al, Cu, Mn, Ni y Zn eran los metales mayoritarios, el primer experimento consisti en estudiar la selectividad, la cintica y el equilibrio de bioadsorcin de cada uno de estos cinco metales disueltos en agua destilada de pH cido (3.3-4.5) por las levaduras exhaustas de cerveza. Los resultados de este estudio se recogen en las figuras 1 (para el caso del Cu a modo de ejemplo) y 2 y en la Tabla IV y de ellos se pueden deducir las siguientes conclusiones: 1) En cuanto a la selectividad de la biomasa por los distintos metales y su capacidad de bioadsorcin (Tabla IV), se comprueba que los mayores porcentajes de eliminacin corresponden al Zn (76%) seguido de Cu (70%), Mn (62%), Ni (48%) y Al (30%). 2) Las cinticas de eliminacin de cada metal disuelto en el agua sinttica por bioadsorcin sobre Saccharomyces sp. son de primer orden respecto de la concentracin del metal ([Metal]disolucin = Ae-kt + C), alcanzndose el equilibrio en los primeros 15-20 minutos, lo que apunta a un proceso rpido de adsorcin superficial del metal sobre la biomasa. Para el caso de la bioadsorcin del Cu, k = 0,139 min-1, es decir que el 50% de bioadsorcin del metal sobre la levadura se consigue a los 5 min de proceso (t1/2). 3) Las isotermas de bioadsorcin de los metales sobre la biomasa (Fig. 2) parecen ajustarse al comportamiento de Langmuir [Metaladsorbido/masa adsorb e n t e = K b [ M e t a l ] equilibrio/ (1+K[Metal]equilibrio)]. Las constantes de afinidad para la unin metal-bioadsorbente son: K=7,29 (Zn), 3,65 (Cu), 3,31 (Mn) y 3,20 (Ni) dm3/mmol, y las constantes de capacidad de unin: b = 0,076 (Zn), 0,069 (Cu), 0,060 (Mn) y 0,059 (Ni) mmol/g. Se propone que en el proceso de bioadsorcin participan mayoritariamente interacciones fisicoqumicas especficas (de tipo intercambio inico, coordinacin, complejacin de metales), si bien interacciones ms fsicas y lbiles y menos espeFigura 2. Isotermas de bioadsorcin de los metales de la disolucin acuosa cida por la accin de Saccharomyces sp. en suspensin libre

cficas (efecto hidrofbico, polares, van der Waals) entre el catin metlico y los distintos grupos funcionales sobre la superficie del microorganismo pueden tener un menor grado de participacin. 4) Durante los experimentos de bioadsorcin de los metales disueltos por las levaduras, el pH de las aguas aumentaba de manera espontnea desde sus valores iniciales (pH 3.3-4.5) hasta alcanzar valores en torno a 5.5-6.0 (datos no mostrados). Es decir, el proceso de bioadsorcin del metal sobre las levaduras neutralizaba parcialmente dichas disoluciones acuosas cidas.

De la curva de valoracin (pH frente a NaOH aadido) de la biomasa disuelta en agua (datos no mostrados), se ha deducido la existencia en ella de al menos cuatro grupos qumicos cido-base, con pK aparentes 3,7, 4,5, 6,8 y 9,5. Conviene citar como de especial inters el hecho de que al realizar el experimento de bioadsorcin del aluminio sobre las levaduras, los sobrenadantes de algunas muestras alcuotas separadas del biorreactor y una vez filtradas y aciduladas con 0,01 M H2SO4 se contaminaron con un microorganismo, que posteriormente se iden-

Cu elim/ mmol/g

Cu residual/ mMFigura 3. Isoterma de adsorcin tipo Langmuir del Cu del agua cida de la mina Merladet por Saccharomyces cerevisiae en suspensin libre

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Tratamiento de Aguas Residualestticas, se propone que en el proceso de bioadsorcin participan mayoritariamente interacciones fisicoqumicas especficas (de tipo intercambio inico, coordinacin, complejacin de metales), si bien interacciones ms fsicas y lbiles y menos especficas (efecto hidrofbico, polares, van der Waals) entre el catin metlico y los distintos grupos funcionales sobre la superficie del microorganismo puedan tener un menor grado de participacin. 4) Durante los experimentos de incubacin de las aguas cidas de corta con las levaduras, el pH de las aguas aumenta de manera espontnea desde sus valores iniciales (pH 3.3) hasta alcanzar valores en torno a 4.0-4.6 (datos no mostrados). Es decir, el proceso de bioadsorcin del metal sobre las levaduras neutraliza parcialmente dichas aguas cidas de mina. 5) Comparando los procesos de bioadsorcin de metales por Saccharomyces sp en aguas sintticas y en aguas de la mina Merladet (aunque dopadas) se observan valores muy similares en cuanto a la eliminacin de los metales Cu y Ni, siendo, sin embargo, sensiblemente menor la eficacia del proceso con aguas reales para el caso del Mn y nula para los dems metales. Se postula una interferencia antagonista sobre la bioadsorcin de un metal por la presencia simultnea de otros metales.3.4. Eliminacin de la ecotoxicidad del agua de mina por levaduras inmovilizadas

Tabla VI. Evolucin de la ecotoxicidad de las aguas cidas por incubacin con la matriz soporte vaca y cargada de clulas de Saccharomyces cerevisiae.

Muestra 200 cm3 agua cida 200 cm3 agua cida 200 cm3 lixiviado 200 cm3 lixiviado

Poliuretano ( levadura) 11,5 g (- Saccharomyces) 13,7 g (+ Saccharomyces) 11,3 g (- Saccharomyces) 13,6 g (+ Saccharomyces)

EC 50% Equitox/m3 14,63 8,20 -

tific como el hongo filamentoso Cladosporium sp. En consecuencia, los correspondientes resultados de eliminacin de Al por Saccharomyces cerevisiae fueron artefactos pero sorprendentes, ya que Cladosporium sp. elimin porcentajes del orden del 70% del Al presente en las aguas. Este hallazgo novedoso (no descrito en bibliografa) podra servir de base para futuros estudios de biorremediacin de aguas cidas con metales pesados por la accin de este microorganismo que, por otra parte, creci espontnea y notablemente en aguas de pH 2.0-3.5.3.3. Bioadsorcin de metales de aguas cidas de mina

tes entre 118 y 0,5 mg/1. Aunque el anlisis y seguimiento se hace de un solo metal cada vez, en el agua de corta estn presentes los otros metales, adems de otras especies qumicas que pueden interferir o competir con el propio proceso de bioadsorcin por levadura (Tabla III). Los resultados de este estudio se recogen en la figura 3 (para el caso del Cu a modo ilustrativo) y en la Tabla V, y de ellos se pueden deducir las siguientes conclusiones: 1) En cuanto a la selectividad y capacidad de bioadsorcin de los distintos metales por la biomasa, se comprueba que los mayores porcentajes de eliminacin corresponden al Cu (80% eliminacin, es decir 0,19 mgCu/g bioadsorbente) seguido de Ni (25 %, 0,24 mgNi/g bioadsorbente) y Mn (3%, 0,026 mgMn/g bioadsorbente). 2) La cintica de bioadsorcin de los metales disueltos en el agua cida de mina por Saccharomyces sp. es rpida, siendo de primer orden respecto de la concentracin del metal ([Metal]disolucin = Ae-kt + C) y alcanzndose el equilibrio en los primeros 10-15 minutos (datos no mostrados), lo que apunta a un proceso rpido de adsorcin superficial del metal sobre la biomasa. 3) Las isotermas de bioadsorcin del Cu (Fig. 3) y los dems metales (datos no mostrados) sobre la biomasa parecen ajustarse al comportamiento de Langmuir [Metaladsorbido/masa adsorbente=Kb[Metal]equilibrio/(1+ K[Metal]equilibrio)]. La constante de afinidad para la unin Cubioadsorbente es K = 2,46 dm3/mmol y la constante de capacidad de unin b = 0,1 mmol/g. Al igual que con aguas cidas sin-

Conocida la selectividad, cintica y capacidad de bioadsorcin de cada metal disuelto en agua cida sinttica por la accin de Saccharomyces cerevisiae, en el siguiente estudio se pretenda comprobar dichos parmetros para los procesos de bioadsorcin de los metales que contaminan las aguas cidas reales de la mina Merladet (Barruecopardo, Salamanca) por la accin de las levaduras cerveceras. Los experimentos son anlogos a los realizados en el estudio anterior manteniendo las mismas condiciones y el mismo tipo de anlisis de las muestras. Dada la baja contaminacin metalognica de las aguas cidas de la corta principal de la mina Merladet (3,6 mg./l Zn, 3,1 mg/1 Mn, 0,5 mg/1 Cu, 0,5 mg/1 Ni segn Tabla III), las muestras de agua fueron dopadas cada una por separado con cada metal a estudiar su bioadsorcin hasta conseguir siete concentraciones diferen-

Los experimentos se llevaron a cabo en reactor discontinuo de tanque agitado a 120 r.p.m. y a temperatura de 20C con el agua cida de la mina Merladet (Barruecopardo, Salamanca) (0,06 mg/1 Al, 0,06 mg/1 Ni, 0,56 mg/1 Cu, 1,91 mg/1 Zn, 2,91 mg/1 Mn) y con un lixiviado de lodo de la mina (0,04 mg/1 Cu, 0,20 mg/1 Zn, 0,19 mg/1 Mn), tratados segn el mtodo oficial B.O.E. 10/ 11/89 de anlisis de ecotoxicidad. Los resultados del estudio de la evolucin de la ecotoxicidad del agua y del lixiviado

abril 03

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de la mina de Barruecopardo tras su incubacin con el soporte de poliuretano sin y con clulas de Saccharomyces se recogen en la Tabla VI. Como consecuencia de este estudio se pudo extraer la conclusin de que dicha agua cida ecotxica por el hecho de incubarla con levaduras cerveceras atrapadas en espuma de poliuretano dejaba de serlo. 4. Conclusiones 1. Tras evaluar la composicin qumica y los estados fisicoqumico y ecolgico de las aguas superficiales de las cortas de una serie de minas a cielo abierto de las provincias de Salamanca y Zamora, se ha podido concluir que nicamente son aguas cidas contaminadas con metales pesados txicos las aguas de las minas F (Saelices el Chico, Salamanca) (con U, Al, Cu, Mn, etc.) y Merladet (Barruecopardo, Salamanca) (con Al, Mn, Zn, Cu). 2. Tras investigar la cintica y el equilibrio de eliminacin de metales de las aguas cidas de la mina Merladet mediante procesos de bioadsorcin sobre residuos industriales de levaduras de cerveza (Saccharomyces cerevisiae), se puede proponer, en principio, a estos residuos, abundantes y baratos, como agentes activos eficaces para la biorremediacin de este tipo de aguas contaminadas con metales. Adems, estos biorresiduos se han demostrado eficaces a la hora de rebajar o anular los niveles de ecotoxicidad y radioactividad de estas aguas cidas de mina. 5. Bibliografa[1] Roig, M.G., Manzano, T. y Diaz, M. Biochemical process for the removal of uranium from acid mine drainages. Water Res. 31, pg. 20732083 (1997). [2] Entrena, A.L., Serrano, J.R. y Villoria, A. Descontaminacin de aguas de mina con recuperacin de los metales contenidos en ellas. Proc. VIII Int. Symposium Min/Met, 16-22 octubre, Oviedo (1988). [3] APHA, AWWA and WPCF. Standard Methods for the examination of water and wastewater 17th Ed., Clesceri, L.S., Greenberg, A.E., Trussell,

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Agradecimientos A Iberdrola Instituto Tecnolgico y al Centro de Investigacin y Desarrollo Tecnolgico del Agua (CIDTA) de la Universidad de Salamanca por la concesin de una beca. Al Director y personal del CIDTA por su eficaz colaboracin, asesoramiento y cesin temporal de sus equipos e instalaciones para el desarrollo de algunas de las tareas del programa de trabajo. Al Departamento de Qumica Analtica, Nutricin y Bromatologa de la Universidad de Salamanca por la cesin de sus espectrofotmetros de Absorcin Atmica. A las empresas donantes de las aguas cidas y de los residuos biolgicos utilizados en este proyecto: Empresa Nacional del Uranio S.A. (ENUSA) (Saelices el Chico, Salamanca), Merladet S.A. (Barruecopardo, Salamanca), Grupo Cruz Campo S.A. (Sevilla), por su excelente colaboracin. Al Prof. William G. Bardsley por la cesin gratuita de la ltima versin del paquete SIMFIT.

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