Metales pesados como plomo, arsénico, cadmio, cromo y mercurio contaminan frecuentemente las fuentes de agua mediante descarga industrial, descomposición minera y desprendimiento geológico natural. La exposición crónica a estos metales causa graves resultados de salud, incluyendo daños neurológicos, insuficiencia renal y cáncer. Mientras existen tecnologías de tratamiento eficaces, las comunidades y los servicios deben equilibrar el rendimiento de eliminación contra las restricciones financieras.

Reseña de tecnologías de eliminación de metales pesados

Ninguna tecnología de tratamiento individual aborda de manera eficiente todos los contaminantes de metal pesado. La elección depende de la especulación, concentración, pH, co-contaminantes y límites de descarga de objetivos. Las secciones siguientes cubren los métodos más adoptados, junto con enfoques más recientes que ganan tracción.

Precipitación química

La precipitación química sigue siendo el tratamiento más antiguo y común para las aguas residuales de metal de alta concentración. Los productos químicos como el cal (hidróxido de calcio), el hidroxido de sodio o el sulfuro de sodio se añaden para elevar el pH o forma hidroxidos de metal insoluble o sulfuros.

Adsorción

Adsorption utiliza los medios sólidos, la mayor frecuencia de carbono activado, pero también biocarburos, zeolites o nanopartículas metálicas, para unir iones de metal disuelto. El carbono activado es eficaz para la eliminación de metales orgánicos y puede ser regenerado térmicamente o químicamente, aunque la regeneración aumenta los costos de energía.

Filtración de membrana

Los costos de la limpieza de la membrana son altos, y los costos de la limpieza de la membrana son de alta calidad, y los costos de la limpieza de la membrana son de alta calidad, y los costos de la limpieza de la membrana son de alta calidad, y los costos de la limpieza de la membrana de la capa de costo son limitados, y el consumo de energía (típicamente 3-8 kWh por m3)

Ion Exchange

El intercambio de ideas es de alta calidad, pero los flujos de resina son de alta calidad y de alta calidad, y son de gran eficacia para la eliminación de metales específicos, como el plomo o el cadmio. Los residuos requieren la regeneración con ácido o la radiación, produciendo un flujo de residuos concentrado que debe ser gestionado.

Electrocoagulación

El electrocoagulación utiliza una corriente eléctrica para disolver electrodos sacrificiales (mono hierro o aluminio) en el agua, formando hidroxidos metálicos que coagulan y precipitan metales pesados. El método elimina la adición de coagulante químico y produce menos lodo que la precipitación química. Los costos de capital son moderados debido a la necesidad de suministros de energía y electrodos, pero los costos operativos están fuertemente influenciados por el consumo de electricidad.

Bioremediación

Los enfoques biológicos utilizan bacterias, algas o plantas para acumular o transformar metales. La reducción microbiana (por ejemplo, bacterias sulfato-reducción a sulfuros de metal precipitados) y la fitoremediación (utilizando plantas de metal-hiperacumulación) son las más desarrolladas. La bioremediación ofrece bajos costos operativos, con frecuencia sólo nutrientes y mantenimiento menor, pero requiere tiempo de contacto más largo (días a semanas) y cuidadosos

Variables clave influenciando coste-efectividad

Comparando los costos de tratamiento requiere una metodología estandarizada que representa todo el ciclo de vida. Los siguientes factores tienen el mayor peso en las evaluaciones económicas.

Gastos operacionales y de capital

Los gastos de capital incluyen equipo, instalación, infraestructura e ingeniería inicial. Los costos operativos incluyen energía, productos químicos, mano de obra, piezas de repuesto y eliminación de desechos. Un métrica común es el costo por metro cúbico de agua tratada ($/m3). Precipitación y adsorción química suelen tener bajos costos de capital pero moderados a altos costos operativos, mientras que los sistemas de membrana tienen altos costos operativos pero relativamente bajos.

Química del Agua y Concentración de Metal

Los costos se intensifican con concentraciones de metal más altas porque se requieren más medios de tratamiento o productos químicos, y debido a que aumentan los volúmenes de lodos o concentrados. Los niveles de fondo de iones competidores (calcio, magnesio, sólidos disueltos totales) pueden reducir la eficiencia del tratamiento, obligando a los operadores a sobredimensionar sistemas o implementar pre-tratamiento. Por ejemplo, la eliminación arsénica a través de adsorción es más barato en aguas con bajos sitios de fófato y silicas.

Escala y A través de la

Las economías de escala benefician a todas las tecnologías pero a grados variables. Los sistemas de precipitación química y membrana ven reducciones significativas de los costos por unidad, ya que los tipos de flujo superan los 1.000 m3/día. Los cambios de Adsorción e iones son menos sensibles a la escala porque los costos de sustitución de los medios son aproximadamente proporcionales al volumen. Para las comunidades pequeñas (menos de 500 personas), las unidades de adsorción envasadas o electrocoagulación suelen proporcionar el mejor costo per cápita.

Residuals Handling

Cada proceso de tratamiento genera una corriente de residuos: lodos de precipitación química y electrocoagulación, gastados adsorbentes, resinas agotadas o salmudas de intercambio de iones y sistemas de membrana. Los costos de eliminación varían por región y clasificación de residuos. Lodos metálicos peligrosos pueden costar $ 200–500 por tonelada para la eliminación de vertederos, mientras que los lodos no peligrosos pueden ser mucho más baratos.

Cumplimiento Regulatorio y Beneficios de Salud

El nivel máximo de contaminantes de la EPA para el arsénico (10 μg/L) obliga a muchos sistemas pequeños a instalar filtros de adsorción o membrana en lugar de depender de una precipitación química más barata. Sin embargo, los beneficios de la salud pública de los costos médicos reducidos, el aumento de la productividad y la prevención del gasto en el análisis de la salud de Bangladesh deben ser completos.

Costo comparativo‐Effectividad por aplicación

Las generalizaciones pueden ser dibujadas para escenarios de tratamiento comunes, aunque las condiciones específicas del sitio siempre los anulan.

A menor escala de suministro de agua rural (< 50 m³/day). Para eliminar arsénico, fluoruro y plomo en concentraciones bajas (más bajo 500 μg/L), la adsorción mediante alumina activado o medios de hierro ofrece el mejor equilibrio de coste y sencillez. Los costos de capital de $1,000–5,000 para una unidad de hogar o comunidad, junto con los costos de los medios de presión anuales de unos pocos cientos de pLT

Tratamiento de agua residual (500–10.000 m3/día). La osmosis inversa o la nanofiltración es a menudo la opción más rentable si el agua fuente tiene múltiples contaminantes o sólidos disueltos de alto nivel. El costo de capital por m3 de la capacidad instalada disminuye considerablemente más de 2.000 m3/día, y los dispositivos de recuperación de energía pueden reducir el uso de electricidad en un 40%.

Agua residual industrial (carga alta de metal, 100–1,000 m3/día). La electrocoagulación y la precipitación química compiten directamente. La electrocoagulación muestra costos totales más bajos cuando la electricidad está por debajo de $0.10/kWh y cuando la recuperación de metal es factible. La precipitación química es difícil de vencer para grandes volúmenes de agua altamente contaminada (por ejemplo, el drenaje de minas ácido)

Estudios de casos en la implementación de costos-efectiva

]Destitución arsénica en Bengala Occidental, India. Un proyecto a escala comunitaria instalado unidades de adsorción de arena de hierro fundido que sirven a 500 hogares. Cada filtro cuesta aproximadamente $2,000 y trata 2.000 L/día con reemplazo de medios cada tres años a $400. El costo total sobre un horizonte de 10 años fue $0.04 por L, comparable a los anuncios de agua embotellada pero mucho más barato que cualquier operación.

]Depuración de cromo de aguas residuales electroplatacientes (Taiwan). Una instalación de electroplataccionamiento se transfirió de precipitación química a un intercambio de iones combinado y sistema de osmosis inversa. La inversión inicial de $150,000 se recuperó en 3,5 años a través de un menor consumo químico, menores costos de eliminación de lodos (40% reducción) y 85% de rendimiento de agua.

Tratamiento de drenaje de metal en una mina de cobre (Chile). La mina utiliza precipitación química de lodos de alta densidad, logrando la extracción de molibdeno y cobre a menos de 1 mg/L. La instalación trata 8.000 m3/día a un costo de $0.18 por m3, incluyendo la gestión de lodos en una mezcla de lodos.

Enfoques de tratamiento de bajo costo emergentes

Varias innovaciones prometen reducir aún más los costos, en particular para las regiones de bajos ingresos.

  • ]Los depósitos y los adsorbentes agrícolas basados en desechos. Materiales de desecho como la ceniza de arroz, carbón de cáscara de coco y cáscara de frutas se pueden convertir en adsorbentes eficaces a una fracción del costo del carbono activado comercial. Un estudio reciente informó que los productos de cáscara de cáscara de plátano modificados se eliminan el 95% de plomo a un costo de material de menos de 0, 50 por cada uno.
  • ] Las membranas de óxido de grafeno. Las membranas de óxido de grafeno a escala de laboratorio han mostrado tasas de rechazo de metal pesado excepcionales (con un 99%) con menores necesidades de energía que las de la RO convencional. Aunque no se comercializan, la fabricación de óxido de escamas podría reducir los costos de membrana por orden de magnitud.
  • Electrocoagulación impulsada por el solar. Integrar paneles fotovoltaicos con electrocoagulación elimina los costos de electricidad, haciendo que la tecnología sea adecuada para áreas fuera de la red. Los sistemas piloto en la India rural han logrado la eliminación de arsénico a un costo total de $0.12 por m3, competitivo con cualquier método convencional.
  • ]Células de combustible microbiano. Estos sistemas tratan simultáneamente el agua residual y generan electricidad, pero las salidas de energía actuales son bajas. Se mantienen experimentales para la extracción de metal, aunque muestran promesas para la remediación de colas, donde los tiempos de retención largos son aceptables.

Conclusión

No se trata de una tecnología única de tratamiento de agua pesada que sea universalmente rentable. La precipitación química y la adsorción sirven bien para escenarios de pequeña escala y alta concentración, mientras que la filtración de membrana y el intercambio de iones proporcionan un mayor rendimiento para un estricto cumplimiento regulatorio a grandes escalas. La electrocoagulación y la bioremediación ofrecen ventajas de nicho donde la logística química o los costos energéticos son problemáticos.