Precipitación de sulfuros de arsénico en un sistema biológico-fisicoquímico

Abstract

"La contaminación por arsénico en el agua representa un alto riesgo para la salud humana y el medio ambiente. La OMS establece un límite máximo permisible de 10 ?g/L en agua para consumo humano. En México, altas concentraciones de arsénico son comunes en acuíferos y zonas mineras como por ejemplo Matehuala, S.L.P., con niveles de hasta 158 mg/L en agua. Los métodos de tratamiento existentes como la filtración y la precipitación química son costosos y generan subproductos tóxicos. La remediación biológica, la cual aprovecha la capacidad metabólica de las bacterias arseniato- y sulfato-reductoras, ofrece una alternativa prometedora para la remoción del arsénico mediante su biomineralización o formación de fases minerales de sulfuros de arsénico. El objetivo del presente estudio fue evaluar la precipitación de sulfuros de arsénico en un sistema biológico-fisicoquímico para la remoción de arsénico del agua. Se caracterizaron las actividades biológicas (arseniato- y sulfato-reductora) de un consorcio recuperado de sitios contaminados. Posteriormente se operó un reactor de lecho fijo en lote (volumen de trabajo 250 mL) con las dos actividades acopladas y se eliminó con éxito hasta 99% del arseniato (2.5 mM) y 100% del sulfato (hasta 5 mM) utilizando lactato como donador de electrones. Los precipitados biogénicos contenían principalmente sulfuros de arsénico (AsS) en estructuras similares a fibras. A partir del soporte del primer reactor, se pusieron en marcha dos reactores en continuo (500 mL c/u) con actividades por separado. En el reactor arseniato-reductor se logró una eficiencia de reducción superior a 85%, mientras que en el reactor sulfato-reductor se logró remover hasta 80% del sulfato alimentado. A partir de los efluentes de ambos reactores se evaluó el efecto de las relaciones molares y el pH en la precipitación de sulfuros de arsénico, mediante experimentos en lote con diferentes relaciones molares de S:As (1.4, 2.7, 5.4) y pH (2, 5 y 6). Los resultados mostraron un mayor porcentaje de remoción del arsénico (93%) a pH 2 en el plazo de una hora y menor eficiencia de eliminación (19-64%) a pH 6. Finalmente se operó un reactor de precipitación a relación molar S:As 1.5 a pH 2 y 5. Se encontró que a pH 2, los precipitados de arsénico se solubilizan después de 48 horas, mientras que a pH 5, los precipitados fueron más estables, logrando una remoción de hasta 92% en cinco días. Finalmente, los análisis de MEB-EDS indicaron que el precipitado obtenido a pH 2 estaba compuesto por S y As, en una relación molar 1.6 (S:As). El precipitado presentó morfología esférica con partículas entre 118 a 280 nm. El patrón de difracción de rayos X (XRD) confirmó la presencia de fases cristalinas de oropimente (As2S3) y rejalgar (As4S4). Con respecto al precipitado que se obtuvo con pH 5, la micrografía de MEB mostró una morfología de partículas prismáticas con tamaño entre 1.7 a 3 µm. Los resultados de EDS indicaron que el precipitado estaba conformado por As y S, en una relación entre 0.55 y 0.90 (S:As). El análisis XRD confirmó la presencia de oropimente y rejalgar. Se demostró que, al separar el proceso biológico del proceso de precipitación, afecta la morfología, tamaño de partícula y cristalinidad de los sulfuros de arsénico formados, por lo tanto, se espera que este estudio sea el punto de partida para indagar sobre las condiciones en la precipitación de sulfuros de arsénico, y cómo esto afecta sus propiedades físicas y químicas."

"Arsenic contamination in water represents a high risk to human health and the environment. The WHO establishes 10 ?g/L of arsenic as the maximum permissible limit in water for human use. In Mexico, high concentrations of arsenic are common in aquifers and mining areas such as Matehuala, S.L.P., with levels up to 158 mg/L in water. Existing treatment methods such as filtration and chemical precipitation are expensive and generate toxic by products. Biological remediation, which takes advantage of the metabolic features of arsenic- and sulfate-reducing bacteria, offers a promising alternative for arsenic removal through its biomineralization or formation of arsenic sulfides mineral phases. The objective of the present study was to evaluate the precipitation of arsenic sulfides in a biological physicochemical system for arsenic removal from water. The biological activities (arsenate and sulfate-reducing) of a consortium recovered from contaminated sites were characterized. Afterwards, a fixed bed batch reactor (250 mL working volume) with the two coupled activities was operated at laboratory scale and successfully removed up to 99% of arsenate (2.5 mM) and 100% of sulfate (up to 5 mM) using lactate as electron donor. The biogenic precipitates contained mainly arsenic sulfides (AsS) in fiber-like structures. From the support of the first reactor, two continuous reactors (500 mL each) with separate activities were set up and operated. The arsenate-reducing reactor reached more than 80% of arsenic reduction efficiency, while the sulfate-reducing reactor showed up to 80% sulfate removal efficiency. From the effluents of both reactors, the effect of molar ratios and pH was evaluated in batch experiments at different S:As molar ratios (1.4, 2.7, 5.4) and pH (2, 5 and 6). The results showed a higher arsenic removal efficiency (93%) at pH 2 within one hour and lower removal efficiency (19-64%) at pH 6. Finally, a precipitation reactor was operated at molar ratio S:As 1.5 at pH 2 or 5. At pH 2, arsenic precipitates solubilized after 48 hours, while at pH 5, the precipitates were more stable, achieving up to 92% removal in five days. Finally, SEM-EDS analyses indicated that the precipitate at pH 2 was composed of S and As, in a 1.6 molar ratio (S:As). The precipitate showed spherical morphology with particles between 118 to 280 nm. The X-ray diffraction pattern (XRD) confirmed the presence of crystalline phases of orpiment (As2S3) and realgar (As4S4). Regarding the precipitate at pH 5, SEM micrographs of the precipitate showed a prismatic particle morphology with particle sizes between 1.7 to 3 µm. The EDS results indicated that the precipitate was composed of As and S, in a ratio between 0.55 and 0.90 (S:As). The X-ray diffraction pattern (XRD) confirmed the presence of orpiment and realgar. It was shown that the separation of the biological process from the precipitation process affects the morphology, particle size, and crystallinity of the formed arsenic sulfides. It is therefore expected that this study will be the starting point for investigating the conditions governing the precipitation of arsenic sulfides, which affect their physical and chemical properties."