RESUMEN
El incremento en los niveles de contaminación del agua por metales pesados ha resultado en un aumento en la investigación y el desarrollo de métodos más efectivos para su eliminación. Existen varios métodos para la remoción de metales pesados de efluentes industriales, aunque la mayoría crean otro problema ambiental o son pocos rentables. Debido a su efectividad y bajo costo de operación, la combinación de un método tradicional como la adsorción con un método nuevo como la biosorción, es muy prometedora para reducir los niveles de metales pesados en efluentes provenientes de la pequeña y mediana empresa. Este artículo presenta los últimos logros alcanzados por la combinación de estos métodos.
INTRODUCCIÓN
La creciente preocupación por la contaminación ambiental, ha dado como resultado un aumento en la investigación y el desarrollo de tecnologías sustentables, así como una normatividad cada vez más estricta. Como resultado, la introducción de tecnologías limpias en los procesos industriales ha logrado disminuir las descargas de sustancias contaminantes al medio ambiente. A pesar de todo, en la mayoría de las empresas todavía se generan aguas residuales con concentraciones bajas de sustancias contaminantes.
Dentro de los efluentes líquidos industriales, uno de los contaminantes que más afectan al medio ambiente es el de los metales pesados. Estos están considerados como uno de los grupos más peligrosos debido a su no biodegradabilidad, su alta toxicidad a bajas concentraciones y su capacidad para acumularse en diferentes organismos. Aunque en este grupo se incluyen elementos esenciales para el crecimiento, reproducción y/o supervivencia de los organismos vivos, otros muchos pueden causar graves problemas.
La Agencia para la Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA),2 considera que el berilio y el mercurio son los dos elementos más peligrosos, debido a esto, su uso en los sectores industriales a nivel mundial ha disminuido. Otros metales que han sido definidos como elementos peligrosos, son el cadmio, el plomo, el cromo, el cobre, el manganeso, el níquel, el zinc, el cobalto y el estaño. Para el tratamiento de los efluentes líquidos que contienen metales pesados, existen diferentes métodos físico-químicos, siendo los de mayor auge en la actualidad los siguientes: precipitación, intercambio iónico, ósmosis inversa y adsorción. Estos, aunque efectivos presentan varias desventajas cuando son aplicados a efluentes industriales constituidos por soluciones metálicas diluídas, entre las cuales podemos mencionar los costos importantes en términos energéticos y/o de consumo de productos químicos (ver tabla I). Además, la precipitación química aunque efectiva para la eliminación de metales pesados, crea un nuevo problema ambiental: el de los lodos que después tendrán que ser almacenados. Actualmente, se están desarrollando nuevas tecnologías para la eliminación de metales pesados, las cuales se pretende tengan bajos costos de operación y sean fáciles de implementar. Estos dos factores son necesarios para hacerlas atractivas para pequeñas y medianas empresas, las cuales cuentan con recursos económicos muy restringidos para tener un sistema de protección ambiental adecuado y que se ven en la necesidad de tratar sus efluentes para que estos cumplan con la normatividad vigente. Además las nuevas tecnologías pretenden desarrollar sistemas de tratamiento que no solamente sirvan para la remoción de metales pesados sino para la remoción.
BIOSORCIÓN
A partir de la década de los ochentas se empezaron a demostrar las capacidades que tienen varios microorganismos para remover grandes cantidades de metales pesados de efluentes líquidos. Estas capacidades han sido estudiadas con la finalidad de desarrollar nuevos sistemas de tratamiento que puedan reemplazar de una manera eficiente a los métodos de tratamiento convencionales.
El proceso de biosorción puede ser definido como la captación de contaminantes (metales pesados en este caso) desde una solución acuosa por un material biológico a través de mecanismos fisicoquímicos o metabólicos.1 Como los metales pesados pueden llegar a tener efectos letales en la biomasa viva, ésta tiene la capacidad de poner en funcionamiento ciertos mecanismos para contrarrestar los efectos tóxicos de los metales. Los dos mecanismos diferenciados para la captación de los metales pesados por parte de la biomasa son:
● Bioacumulación. Basada en la absorción de las especies metálicas mediante los mecanismos de acumulación al interior de las células de biomasas vivas (figura 1)
Fig. 1. Bioacumulación de metales pesados.
● Bioadsorción. Basada en la adsorción de los iones en la superficie de la célula. El fenómeno puede ocurrir por intercambio iónico, precipitación, complejación o atracción electrostática (figura 2)
Fig. 2. Bioadsorción de metales pesados.
La remoción y recuperación de metales pesados de efluentes líquidos por el mecanismo de biosorción ha sido mencionado en varias publicaciones utilizando diferentes combinaciones de metales y biosorbentes. Sus ventajas más evidentes en comparación con los métodos tradicionales son:
● Uso de materiales renovables que pueden ser producidos a bajo costo.
● Alta capacidad para acumular iones metálicos de manera eficaz y rápida.
● Capacidad de tratar grandes volúmenes de agua contaminada debido a la rapidez del proceso.
● Alta selectividad en relación a metales específicos.
● Capacidad de manipular varios metales pesados y mezclas de residuos.
● Gran reducción en el volumen de los residuos peligrosos producidos.
● Bajo capital invertido.
● Actúa bajo un amplio rango de condiciones fisicoquímicas incluyendo temperatura, pH y presencia de otros iones.
SOPORTES DE INMOVILIZACIÓN DE BIOMASA
El uso de biomasa en suspensión tiene algunas desventajas, una de las cuales es la separación final del efluente y la biomasa. Como el diseño de reactores para la remoción de metales pesados a partir de efluentes líquidos debe considerar un contacto óptimo entre éstos y la biomasa, se ha considerado el uso de diferentes tipos de soportes para la inmovilización de la biomasa con la finalidad de lograr una mayor eficiencia de eliminación de metales pesados. Esto se logra evitando que el biosorbente sea removido del reactor en la corriente de salida y al mismo tiempo se obtiene una mayor estabilidad mecánica disminuyendo de esta manera los esfuerzos de corte que podrían dañar la estructura del microorganismo, lo cual afecta su eficiencia en la eliminación de los metales pesados.
Uno de los materiales que se han estudiado como soporte de biomasa es el carbón activado. Su alta porosidad y su gran superficie específica (la cual puede ir de varios cientos hasta dos mil metros cuadrados por gramo)7 hacen que el carbón activado sea un material idóneo para que se lleve a cabo el proceso de adsorción de metales pesados (figura 3).
Además éste es capaz de fijar compuestos orgánicos presentes muchas veces en aguas residuales.8 Otra razón por la cual se utiliza el carbón activado para la adsorción es su bajo costo, ya que es un producto abundante que se obtiene como subproducto de la producción de aceite a partir de coco, oliva y el procesamiento de la caña de azúcar por mencionar solamente algunos productos agrícolas.
Fig. 3. Adsorción de metales sobre soportes modificados biológicamente.
Estudios experimentales de biomasas inmovilizadas en diferentes soportes
Mihova St. et al. (2001), estudiaron la cinética de crecimiento y biosorción de Cu (II) utilizando cuatro tipos de biomasa: Aspergillus niger, Phanerochaete chrysosporium, Saccharomycopsis lypolytica y Saccharomyces cerevisae. Los mejores resultados de biosorción se obtuvieron con los microorganismos S. cerevisae y Ph. chrysoporium. Otro de los factores evaluados fue el efecto de la concentración del metal sobre el crecimiento, observándose que cuando la concentración inicial de metal alcanzaba 250mg/L se obtenía un periodo de adaptación mayor y una cantidad de biomasa, al final del experimento, menor con respecto a soluciones metálicas más diluídas. Con respecto a los estudios cinéticos de biosorción del Cu(II) se observó que el 75% del metal inicial fue removido en las primeras 6 horas.
Da Costa A. y Pereira D.F. (2001), realizaron estudios concernientes a la acumulación de zinc, cobre, cadmio y plomo sobre varios tipos de microorganismos del genero Bacillus Las capacidades máximas de adsorción reportadas fueron de 6.4 mol de Cu/g biomasa, 5.0 mol de zinc /g biomasa, 11.8 mol de cadmio /g biomasa y 1.8 mol de plomo /g biomasa para Bacillus sp., Bacillus subtilis, Bacillus sphaericus y Bacillus subtilis, respectivamente. Las soluciones de metales iniciales utilizadas variaron entre los rangos de 1 y 88 mg/L y el pH de entre 7.4 y 7.6.9
Boddu V. et al. (2003), llevaron a cabo estudios preparando un nuevo biosorbente, el cual consistía de soportes de alúmina cerámica recubiertos con quitosán. Los estudios realizados tenían como fin el de evaluar la influencia del pH y de la adsorción de los iones sulfato y clorato sobre la eliminación de Cr(VI) en soluciones sintéticas y de campo. La comparación de los resultados mostró que el complejo de quitosán tiene una mayor capacidad de adsorción de cromo con respecto a otros tipos de biosorbente encontrados en la literatura. La isoterma de Langmuir fue utilizada para modelar los datos experimentales obteniéndose un valor máximo de
153.8 mg/g de quitosán.
CONCLUSIONES
Los estudios realizados en los últimos años aportan información que muestra un aumento en la capacidad de adsorción del carbón activado cuando se lleva a cabo una modificación biológica del mismo con biomasa. Estos datos muestran la factibilidad de utilizar sistemas de biosorción a nivel industrial en efluentes líquidos, constituidos por soluciones metálicas diluidas en presencia de compuestos orgánicos ya que estos podrán ser captados por el carbón activado, mientras que los iones metálicos pueden ser adsorbidos tanto en el biofilm como en el carbón activado. Este tratamiento aparte de ser robusto y selectivo es muy factible que sea de bajo costo debido a la utilización de biomasa surgida como deshecho de algún proceso, lo cual lo hace sumamente atractivo para las industrias. Otra de las ventajas desde un punto de vista ambiental es que el biosorbente puede ser regenerado y la solución que continen el metal disuelto puede ser reutilizada en el proceso.
En la revisión bibliográfica, se encontró que la eficiencia del bioproceso es función del microorganismo utilizado, de la naturaleza del soporte, del tipo de reactor y de las condiciones experimentales empleadas. Por lo cual, es imprescindible realizar pruebas experimentales para obtener la mejor configuración biomasa-soporte.
La resolución de este tipo de problemas ambientales, podría estar enfocado en tres diferentes vías de investigación: la optimización de los procesos tradicionales, la utilización de tecnologías limpias y la creación de nuevos procesos de tratamiento. El análisis de los diferentes estudios experimentales, nos permite vislumbrar el desarrollo de un bioproceso acoplando dos tipos de procesos: la adsorción con carbón activado y la biosorción con diferentes microorganismos que presenten una mayor capacidad de eliminación de metales con respecto a los encontrados en la literatura.