Estudio de los procesos de remoción de hierro y manganeso en aguas subterráneas: una revisión
Study of iron and manganese removal processes in groundwater: a review
Estudo dos processos de remoção de ferro e manganês em águas subterrâneas: uma revisão
Johandra Raquel Guillen-Rivas I jguillen9977@utm.edu.ec https://orcid.org/0000-0001-8898-1445
Alex Raziel Jaramillo-Cedeño II ajaramillo9013@utm.edu.ec https://orcid.org/0000-0003-1939-310X
Rosa Alexandra Córdova-Mosquera III rcordova@utm.edu.ec https://orcid.org/0000-0003-4299-4798
Correspondencia: jguillen9977@utm.edu.ec
Ciencias Técnicas y Aplicadas Artículos de investigación
*Recibido: 16 de julio de 2021 *Aceptado: 30 de agosto de 2021 * Publicado: 09 de septiembre de 2021
I. Estudiante, Carrera de Ingeniería Química, Facultad de Ciencias Matemáticas, Físicas y Químicas, Universidad Técnica de Manabí, Portoviejo, Manabí, Ecuador.
II. Ingeniero Químico, Departamento de Procesos Químicos, Facultad de Ciencias Matemáticas, Físicas y Químicas, Universidad Técnica de Manabí, Portoviejo, Ecuador.
III. Investigador Independiente.
Resumen
El hierro y el manganeso son de los elementos contaminantes más comunes en el agua subterránea, los cuales en la mayoría de las ocasiones superan los límites impuestos por las legislaciones que regulan los parámetros del agua de consumo. Considerando que cuando las concentraciones de estos metales superan dichos límites, estos pueden causar problemas estéticos, operativos e inclusive de salud pública; esta revisión proporciona información referente a las diferentes investigaciones sobre procesos de remoción de hierro y manganeso mediante procesos físicos, químicos y biológicos, profundizando en tecnologías convencionales e innovadoras. Este estudio se basa en el análisis de los procesos de remoción de hierro y manganeso en aguas especialmente las de origen subterráneo, buscando comparar la eficiencia de remoción de hierro y manganeso de dichos procesos, basados en datos de investigaciones. Encontrando así que el desarrollo de los métodos de remoción de los últimos años, logran eficiencias superiores al 90%, por lo general en compañía de procesos suplementarios y que la selección de la tecnología de remoción estará determinada por criterios técnicos y económicos de acuerdo a las condiciones del efluente.
Palabras clave: Eficiencia de remoción; metales pesados; impacto antropogénico; remoción convencional; remoción biológica; tecnología de membrana; nanotecnología.
Abstract
Iron and manganese are the most common pollutants in groundwater, which in most cases exceed the limits imposed by the laws that regulate the parameters of drinking water. Considering that when the concentrations of these metals exceed these limits, they can cause aesthetic, operational and even public health problems; This review provides information regarding the different investigations on iron and manganese removal processes through physical, chemical and biological processes, delving into conventional and innovative technologies. This study is based on the analysis of the iron and manganese removal processes in waters, especially those of underground origin, seeking to compare the iron and manganese removal efficiency of these processes, based on research data. Thus, finding that the development of removal methods in recent years achieve efficiencies greater than 90%, usually in the company of supplementary processes and that the selection of removal technology will be determined by technical and economic criteria according to the effluent conditions.
Keywords: Removal efficiency; heavy metals; anthropogenic impact; conventional removal; biological removal; membrane technology; nanotechnology.
Resumo
Ferro e manganês são os poluentes mais comuns nas águas subterrâneas, que na maioria das vezes ultrapassam os limites impostos pelas leis que regulamentam os parâmetros da água potável. Considerando que quando as concentrações desses metais ultrapassam esses limites, podem causar problemas estéticos, operacionais e até de saúde pública; Esta revisão traz informações sobre as diferentes investigações sobre os processos de remoção de ferro e manganês por meio de processos físicos, químicos e biológicos, aprofundando-se em tecnologias convencionais e inovadoras. Este estudo se baseia na análise dos processos de remoção de ferro e manganês em águas, principalmente aquelas de origem subterrânea, buscando comparar a eficiência de remoção de ferro e manganês desses processos, com base em dados de pesquisas. Assim, constatar que o desenvolvimento de métodos de remoção nos últimos anos atinge eficiências superiores a 90%, geralmente na empresa de processos complementares e que a seleção da tecnologia de remoção será determinada por critérios técnicos e econômicos de acordo com as condições do efluente.
Palavras-chave: Eficiência de remoção; metais pesados; impacto antrópico; remoção convencional; remoção biológica; tecnologia de membrana; nanotecnologia.
Introducción
El agua subterránea es uno de los recursos principales del bioma terrestre, tomando en cuenta que esta representa más del 97 % del agua dulce accesible (Jakeman, Barreeteau, Hunt, Rinaudo, & Ross, 2016). El hierro y el manganeso son de los elementos más abundantes en la corteza terrestre, lo que los convierte en contaminantes comunes en aguas subterráneas y superficiales (Kwakye et al., 2019). Aunque de forma natural estos elementos se pueden encontrar en concentraciones más altas en aguas subterráneas en comparación con las superficiales (Rusydi et al., 2021), la contaminación causada por iones de Fe (II) y Mn (II) puede conducir a interacciones complejas con otros componentes disueltos como los aniones inorgánicos o el carbono orgánico disuelto (Kwakye et al., 2019). Así la presencia de hierro puede provocar coloración, olor y generación de turbidez en las aguas debido a la oxidación de este compuesto, y la presencia de manganeso en
niveles elevados se consideran indeseables ya que la interacción de este componente con el aire provoca la oxidación a Mn (IV) el cual otorga un sabor amargo o metálico y en interacciones con ciertos materiales provoca manchas en estos (Kwakye et al., 2019); otro dato a considerar es que existe evidencia de que altas concentraciones de manganeso por periodos prolongados están asociadas a enfermedades del sistema nervioso como el Parkinson (Aschner et al., 2009). Desde lo planteado es importante considerar que la presencia de estos elementos ademas de los problemas esteticos y de salud mencionados, ocasionan problemas de operación y mantenimiento en los sistemas de abastesimiento y distribucion. Los precipitados de Fe y Mn si se acumulan reducen la capacidad de las tuberias ocasionando así, perdidas de la presion de la red de distibución, traduciendose como problematicas de carácter tecnico y financiero.
La tecnología más aplicada para la eliminacion de estos metales suele ser una combinación de oxidación, precipitación y filtración utilizando una variedad de agentes oxidantes como oxígeno, cloro, permanganato de potasio, dióxido de cloro y ozono (Burbano, 2011).Actualmente, las técnicas de eliminación de hierro y manganeso con eficiencias de eliminación superiores al 80% o más se están estudiando a escala piloto o de laboratorio y proporcionan información sustancial para la aplicación de alternativas a los procesos convencionales mas utilizados. El objetivo de la presente, es evaluar los diferentes procesos de remocion de hierro y manganeso en aguas subterraneas y de otras fuentes con la finalidad de identificar los diferentes enfoques que buscan la maxima eficiencia de remocion de estos metales.
Metodología
El presente artículo de revisión es de carácter descriptivo cuali-cuantitativo. Para la presente investigación se utilizará como datos de estudio, información de bases de datos científicas referente a los procesos de remoción de hierro y manganeso de aguas, correspondiente a los últimos seis (6) años, información que será utilizada para analizar y examinar los indicadores de remoción establecidos a partir del análisis documental de información digital, mediante la utilización instrumentos como fichas de investigación y tablas dinámicas de Excel, para ordenar los datos de acuerdo a los métodos estudiados y otros subtemas de interés, la información que será reflejada en tablas y gráficos para facilitar su análisis, obtención de valoraciones y conclusiones respectivas.
Resultados y discusión
Existe una variada gama de métodos de remoción de hierro y manganeso las cuales han sido investigadas en los últimos años, esta variedad es presentada de acuerdo al tipo de tratamiento (físico, químico, biológico o mixto) a implementar el cual muchas veces depende de las características intrínsecas del efluente a tratar. Las investigaciones referentes a estos métodos de tratamiento en aguas subterráneas han ido en aumento en los últimos años, exponiendo así el interés de la comunidad científica en mejorar el proceso de remoción de estos metales.
1. Hierro y manganeso en aguas subterráneas
El hierro y el manganeso se encuentran en diversas formas dentro de los efluentes subterráneos y superficiales y estas pueden clasificarse basados en la forma mineral, la solubilidad y la naturaleza química (Khatri et al., 2017), como se muestra en la figura 1.
Figura 1: Formas de hierro y manganeso en aguas subterráneas
La presencia de iones de Fe en las aguas subterráneas se atribuye generalmente a la disolución de rocas y minerales que contienen Fe, que son principalmente óxidos (hematita, magnetita y limonita), sulfuros, carbonatos y silicatos en condiciones anaeróbicas en presencia de agentes reductores como materia orgánica y sulfuro de hidrógeno (Dalai et al., 2015). Por lo que los valores correspondientes a estos elementos pueden variar considerablemente en función de las condiciones geográficas y la actividad antropogénica, los que se relacionan de forma directa con las
concentraciones de estos elementos, las cuales deben ser determinadas para seleccionar el proceso más conveniente para llevar dichas concentraciones a los niveles de concentración deseados.
Los niveles máximos de concentración de hierro y manganeso en el agua de consumo según las diferentes legislaciones a nivel mundial no deben exceder los 0.2 mg L-1 de hierro y 0.05 mg L-1 (Vries et al., 2017), aunque estos valores suelen variar muy levemente como se puede apreciar en la Tabla 1.
Tabla 1: Límites máximos permisible según las diferentes legislaciones a nivel global
Continente |
País |
Fe (mg/L) |
Mn(mg/L ) |
Fuente |
|
Ecuador |
0,3 |
0,1 |
(INEN, 2006) |
|
Canadá |
0,3 |
0,12 |
(Health Canada, 2020) |
América |
Estados Unidos 0,3 |
0,05 |
(Swistock, 2019) |
|
|
México |
0,3 |
0,15 |
(NOM, 1994) |
|
Colombia |
0,3 |
0,1 |
(Ministerio de Protección Social, 2007) |
|
España |
0,2 |
0,05 |
(SINAC, 2004) |
|
Francia |
0,2 |
0,05 |
(COUNCIL, 2020) |
Europa |
Alemania |
0,2 |
0,05 |
(COUNCIL, 2020) |
|
Italia |
0,2 |
0,05 |
(COUNCIL, 2020) |
|
Reino Unido |
0,2 |
0,05 |
(COUNCIL, 2020) |
|
Japón |
0,3 |
0,04 |
(Hiroshi, 2016) |
Asía |
|
|
|
|
|
India |
0,3 |
0,1 |
(Mizoram, 2012) |
2. Análisis del impacto antropogénico y natural del hierro y el manganeso en aguas subterráneas.
La contaminación de los efluentes subterráneos está influenciada por procesos naturales tales como la disolución de rocas y minerales que contienen Fe y Mn que se encuentran en forma de óxidos, sulfuros, carbonatos y silicatos (Anu, 2015); y antropogénicos los cuales presentan mayor preocupación, dado a que si se identifica la causa antropogénica de contaminación de determinado
lecho, es posible tomar medidas de remediación (Palmucci , Rusi, & Di Curzio, 2016). Desde el enfoque antropogénico, sin lugar a dudas las principales fuentes de contaminación por iones de Fe y Mn en los recursos subterráneos son los que se producen a partir de las aguas residuales industriales, por nombrar algunas tenemos las generadas por la minería, plaguicidas, productos químicos orgánicos, curtidoras, farmacéuticos procesamiento de metales (Anu, 2015), y a pesar de que es sabido que antes de que estas lleguen hasta los acuíferos subterráneos estas tienen la oportunidad para filtrar los contaminantes a través de las rocas y el suelo subterráneo (Jusoh et al., 2005), es necesario tomar en cuenta que se requieren condiciones geográficas específicas para que este proceso se lleve a término.
3. Métodos de remoción de hierro y manganeso en aguas subterráneas
a) Métodos convencionales
i. Procesos de oxidación, precipitación y filtración
Este tipo de proceso normalmente consiste de sistemas de dosificación del compuesto químico seleccionado de acuerdo a las condiciones del proceso, que permitan la reacción de oxidación, la cual promueve la conversión de materia soluble a un estado insoluble y precipitable; para después ingresar a un filtro (Khatri et al., 2017), donde dependiendo de las condiciones y configuración del proceso se pueden alcanzar eficiencias de remoción de hasta el 99% para hierro y 98% para manganeso en aguas subterráneas (Bora et al., 2017). Los oxidantes empleados generalmente incluyen hipoclorito, permanganato de potasio, peróxido de hidrogeno, cloro, ozono, dióxido de cloro entre otros, de los que es necesario determinar la dosis optima de acuerdo a las características del proceso (Vigneswaran & Visvanathan, 1995). Duque (2009) menciona que al utilizar sustancias químicas como oxidante de hierro y manganeso, es importante garantizar un tiempo de contacto entre 5 y 30 minutos que permita una eficiente y completa reacción química, para tal fin, es necesario incorporar tanques de contacto que garanticen el tiempo requerido en donde se podrá llevar a cabo secuencialmente ajuste del pH, aplicación del oxidante y retiro de material precipitado.
ii. Procesos de ablandamiento por zeolita/ intercambio iónico
En este proceso ocurre un intercambio de iones, catiónicos o aniónicos. Este es un proceso útil en la separación, descontaminación y purificación de soluciones que contengan iones tales como el hierro y manganeso (Shkolnikov et al., 2012). Minerales como la zeolita tienen capacidad de intercambio iónico, esta es una magnitud que da una medida del total de equivalentes de un catión, que es capaz de retener por intercambio iónico, una determinada cantidad de este mineral. Esta capacidad está directamente relacionada con el catión Al presente en la red zeolítica y depende directamente de su composición química (Pavon & Xilomen, 2018). Este proceso puede alcanzar mayores porcentajes de remoción de hierro llegando a tasas de remoción de hasta el 98% y dependiendo de las características del material se puede alcanzar valores de remoción de entre el 18 y 97% de manganeso en aguas subterráneas y superficiales (Zevi et al., 2018).
iii. Procesos basados en materiales de carbonato de calcio
Los materiales, que se basan en carbonato de calcio, se han utilizado como compuestos efectivos para la remoción de compuestos metálicos di y trivalentes durante el tratamiento de aguas pudiendo lograr remoción de hasta el 95 % de hierro y 86% de manganeso (Aziz et al., 2001; Wang et al., 2016). La técnica presenta factores de costos y materiales eficaces ya que estos incluyen a la piedra caliza para la remediación de metales (Komnitsas et al., 2004). Dichos materiales a base de carbonato de calcio (CCBM) se han empleado para la remediación de hierro y manganeso en aguas (Wang et al., 2016). El desempeño de estos materiales durante la remoción de hierro y manganeso puede verse afectado por el pH ya que se ha demostrado que la dependencia del pH de la cinética de oxidación del Fe (II) está relacionada con la especiación del Fe (II) y que cada especie reacciona de acuerdo con una tasa distinta con el oxígeno, la materia orgánica natural la cual puede interferir con el área de contacto y los cationes coexistentes que pueden inhibir el proceso de remoción (Mettler et al., 2009).
iv. Procesos de separación por medios filtrantes
Los medios filtrantes son recursos variados utilizados para diferentes procesos incluida la remoción de hierro y manganeso en las aguas; existen diversos materiales granulares para la filtración, así como diversas configuraciones para la elaboración de los filtros en donde incluso se incluyen materiales adsorbentes, dependiendo de la configuración pueden llegar a porcentajes de remoción de hasta el 99% de hierro y manganeso en aguas subterráneas. Entre los medios más comunes tenemos arenas en combinación con carbón de antracita y carbón activado (El-naggar, 2010). Los
filtros son dispositivos de tratamiento físico y los mecanismos de eliminación incluyen procesos de atrapamiento físico tales como la adsorción, asentamiento por gravedad, impactación, tensión, intercepción y floculación. La filtración lenta de arena logra la remoción dentro de los primeros milímetros de profundidad desde la superficie de la arena. Tanto los filtros granulares de lecho profundo como los filtros de pre-revestimiento, hacen uso de un medio de filtrado, y la filtración elimina eficazmente la mayoría esas partículas de metal precipitan que no se sedimentarán (Patil et al., 2016). Se puede realizar una filtración mejorada acondicionando el medio filtrante como por ejemplo, con permanganato para formar una capa de óxido de manganeso en la superficie del medio o usando arena verde la cual es un glauconítico natural capaz de reducir los iones mencionados anteriormente a través de la oxidación y de la filtración (Roccaro et al., 2007).
v. Separación por sorción de solidos/ adsorción
La separación por sorción de sólidos es un proceso en el que el soluto de un fluido líquido se acumula en la superficie del adsorbente, que puede ser sólida o líquida, y forma una estructura molecular o atómica, también conocido como adsorbato. El proceso, comúnmente conocido como adsorción, es uno de los procesos más utilizados para la descontaminación de aguas residuales (Tang et al., 2014). Por lo mencionado es oportuno mencionar que este es un método que puede ser utilizado para la eliminación de metales de las aguas residuales, superficiales o subterráneas incluso a bajas concentraciones lográndose porcentajes de remoción entre 80 y 90% de hierro y manganeso en aguas subterráneas (Aji et al., 2015). Varios tipos de adsorbentes, como carbón activado, cenizas, arcilla, etc., son explotados por varios científicos de todo el mundo para la remediación del hierro y manganeso del agua (Khatri et al., 2017).
vi. Electrocoagulación
La electrocoagulación (EC) es un método para desestabilizar los contaminantes disueltos o suspendidos presentes en el agua mediante la aplicación de corriente eléctrica en el agua contaminada (Ruiz, 2005). El contaminante se elimina del agua debido a la neutralización de su carga eléctrica (Mollah et al., 2001).Las ventajas del proceso incluyen el no uso de productos químicos, menor producción de lodos y fácil operación (Khatri et al., 2017) . La técnica a menudo se combina con electro flotación las cuales se utilizan ampliamente para la remoción de los metales estudiados. Pudiéndose llegar a porcentajes de remoción de hierro y manganeso de hasta el 98 % en aguas pretratadas o potables (Ganesan et al., 2013; Das & Nandi, 2019).
vii. Aeración-filtración
La aireación es el método de introducir oxígeno o aire en los sistemas de tratamiento para la eliminación de metales (Khatri et al., 2017), este proceso por lo general va acompañado de sistemas de filtración y se recomienda para agua con alta concentración de hierro (mayor de 5 mg/L) con el fin de disminuir los costos en reactivos. El equipo usado en este proceso incluye comúnmente un aireador, un tanque de retención y filtros (Civardi & Tompeck, 2015). El oxígeno de la atmósfera reacciona con las formas solubles de hierro y manganeso (Fe+2 y Mn+2) del agua cruda para producir óxidos relativamente insolubles (Fe+3 y Mn+4) de estos elementos. La velocidad de reacción depende del pH de la solución, siendo más rápida a valores de pH altos. Ya que el manganeso tiene una velocidad de oxidación muy lenta vía el O2 (ac) esta técnica no es muy efectiva para la remoción de Mn+2, excepto a valores de pH mayores de 9.5. Para disminuir las concentraciones de manganeso al nivel deseado se requieren frecuentemente un tiempo de reacción y un tratamiento químico adicionales (Khatri et al., 2017); obteniendo así porcentajes de remoción en aguas subterráneas de hierro y manganeso de hasta un 99%, si se combinan con procesos de filtración (Štembal et al., 2005).
b) Métodos biológicos
Las estrategias biológicas, generalmente denominadas biorremediación, implican la utilización de microorganismos para eliminación de los diversos contaminantes en el agua y sin duda el hierro y el manganeso pueden ser removidos biológicamente. Existen bacterias que oxidan estos elementos por ejemplificar tenemos para el hierro a la Acidithiobacillus ferrooxidans y manganeso a la Acinetobacter sp, existiendo así un potencial de remediación de estos elementos de fuentes de agua gracias a que estos organismos oxidan biológicamente los componentes antes mencionados. Los tratamientos biológicos siempre requieren de calidades y condiciones específicas del agua cruda, y no todas las aguas subterráneas o superficiales son factibles económicamente de ser tratadas (Civardi & Tompeck, 2015). Los tratamientos biológicos pueden emplearse cuando los costos de inversión y operación son menores que los de un proceso físico-químico, aunque es necesario tomar en cuenta las condiciones iniciales del agua (Khatri et al., 2017). Al no implicar el uso de oxidantes químicos, se logra reducir los costos operativos del proceso. Pudiendo cultivar estos organismos en biofiltros, que luego se utilizan para la eliminación de hierro y manganeso en el agua, lográndose eficiencias de remoción de hasta un 93% en agua superficial con pretratamientos (Tekerlekopoulou, 2016). Sin embargo, este método presenta inconvenientes tales como el tiempo
de generación de la película bioactiva y la perdida de la misma por arrastre del sistema en los lavados, disminuyendo así la eficiencia del proceso de forma significativa (Li et al., 2016).
c) Métodos basados en tecnologías de membrana
En los últimos años las tecnologías de separación por membranas han sido de las más desarrolladas por los investigadores ya que permite la eliminación de innumerables contaminantes del agua incluidos metales como el hierro y manganeso. Algunas de las técnicas comunes, que implican diferentes tipos de membranas y de acuerdo a sus características son ultra filtración (UF), microfiltración (MF) y ósmosis inversa (RO) (Le & Nunes, 2016), la selección del proceso de membrana, dependerá del tamaño de los contaminantes a eliminar en el agua aunque por lo general se logran tasas de remoción del 99,9% para hierro y manganeso (L.-H. Cheng et al., 2020). La principal diferencia entre estos métodos es el tamaño de los poros de las membranas, y aunque tengan buenos rendimientos, es necesario tener en cuenta las características iniciales del agua para la selección del tratamiento, por lo tanto en la mayoría de las ocasiones será necesario un pretratamiento para evitar el taponamiento de los poros (Labanda et al., 2009).
d) Métodos basados en nanotecnologías
Los procesos nanotecnológicos son considerados aquellos que implican la fabricación y utilización de objetos de dimensión inferior a 100 nm. Estos objetos generalmente se denominan nano materiales o nano partículas (Pandey et al., 2016). Estos objetos han sido utilizados para una serie de problemas ambientales, incluido el control de la contaminación del agua, la remediación de las aguas subterráneas, el tratamiento de agua potable y el control de la calidad del aire (Khatri et al., 2017) .Entre las tecnologías implementadas en el tratamiento y remoción de metales como el hierro y manganeso tenemos, los nanotubos de carbono (CNT) con los cuales se han logrado tasas remoción de 71,5 % para hierro y 52 % para manganeso (Elsehly et al., 2015). Los CNT son nano materiales grafíticos huecos y bien ordenados, que forman parte de sp2 átomos de carbono hibridados dispuestos de forma cilíndrica. Poseen una alta relación de aspecto, una gran superficie, buenas estabilidades térmicas y químicas con excelentes propiedades ópticas y electrónicas.
4. Comparación de eficiencia de los procesos de eliminación de Fe y Mn
A continuación, se muestran los diferentes tipos de procesos (Tabla 2) en donde se reportan los máximos porcentajes de remoción de acuerdo a los parámetros estudiados en cada investigación,
este resumen nos permite comparar y conocer de una manera simple la efectividad en remoción de los tratamientos investigados.
Tabla 2: Eficiencia de remoción de hierro y manganeso de acuerdo a los métodos estudiados
Método |
Tipo de agu a |
Material utilizado |
Variables evaluadas |
pH |
Eficienci a de remoción de Fe (%) |
Eficienci a de remoción Mn (%) |
Referenci a |
PO-P-F |
ST |
NaClO |
pH y concentración del oxidante |
6-9 |
88 |
90 |
(Kan et al., 2012) |
PO-P-F |
ST |
KMnO4 |
pH, concentración de oxidante y concentración de floculante. |
7-10 |
99 |
95 |
(Elsheikh et al., 2017) |
PO-P-F |
ST |
NaHCO3/ KMnO4/ FeCl3 |
pH, concentración de oxidante y concentración de floculante. |
7- 7.5 |
99 |
98 |
(Bora et al., 2017) |
PBMCC |
ST |
Piedra caliza / Hormigón |
Tipo de material, Granulometrí a |
7-9 |
95 |
86 |
(Wang et al., 2016) |
PSMF |
ST |
Carbón activado a partir de residuos |
Profundidad de columna |
- |
99 |
99 |
(Dalai et al., 2015) |
PSMF |
ST- S |
Arena de manganeso |
- |
6.5- 7 |
99 |
90 |
(L.-H. Cheng et al., 2020) |
PA |
ST |
Carbón activado |
Tiempo de contacto, dosis de adsorbente |
6.84 |
90 |
84 |
(Aji et al., 2015) |
PAZ/II |
ST |
Mordenita natural y activada |
Método de activación, tiempo de retención |
- |
98 |
18 |
(Zevi et al., 2018) |
PAZ/II |
ST |
Zeolita sintetizada |
Tiempo de retención, masa de adsorbente |
6.5- 7.5 |
98 |
97 |
(Kwakye- Awuah et al., 2019) |
Aeración |
ST |
Sistema de aeración y filtro |
Velocidad de flujo |
7-8 |
99 |
99 |
(Štembal et al., 2005) |
Aeración |
ST |
Inyección de aire |
Tipo de irrigación; Condiciones hidrológicas |
6-7 |
33,7 |
5 |
(Pleasant et al., 2014) |
EC |
AP |
Electrodo de aluminio |
Tiempo, amperaje, distancia entre electrodos |
6.34 -7 |
98,5 |
- |
(Das & Nandi, 2019) |
EC |
|
Ánodo de magnesio/ cátodo de hierro |
pH, amperaje, configuración del electrodo, distancia entre electrodos |
3-11 |
- |
97,2 |
(Ganesan et al., 2013) |
POB |
ST |
Zeolita, CBPB, CBEO |
Condiciones del cultivo, temperatura, pH |
7- 7.5 |
99,75 |
96,7 |
(Li et al., 2016) |
PBA |
ST |
MTB |
Tiempo de interacción |
7- 7.5 |
47,86 |
15.26 |
(Diaz- Alarcón et al., 2019) |
PFB |
ST |
Antracita, arena de manganeso, consorcio bacteriano |
Profundidad del filtro, tiempo de proceso |
7 |
95,48 |
95,9 |
(Q. Cheng et al., 2017) |
PFB |
ST |
Polvo de carbón activado, consorcio bacteriano |
Presión, tiempo |
6.5- 8.5 |
98,6 |
76,4 |
(Du et al., 2017) |
UF |
AS |
Membrana de ultrafiltració n de aleación cloruro de polivinilo |
Condiciones de pretratamient o |
6- 7.10 |
100 |
90 |
(L.-H. Cheng et al., 2020) |
UF |
ST |
membrana de ultrafiltració n de polipropileno |
Intensidad de mezclado |
8 |
95 |
90 |
(Lin et al., 2013) |
Nanotecnologí a |
AS |
Nanotubos de carbono |
pH, masa de filtro |
3-8 |
71,5 |
52 |
(Elsehly et al., 2015) |
ST: agua subterránea, ST-S: agua subterránea simulada, PO-P-F: Proceso de oxidación- precipitación- filtración, PBMCC: Procesos basados en materiales de carbonato de calcio, PSMF: Procesos de separación por medios filtrantes, BRP: barrera reactiva permeable, PA/A: Procesos de Adsorción, PAZ/II: Procesos de ablandamiento por zeolita e intercambio iónico, POB: Procesos de oxidación bacteriana, CBPB: Cepas bacterianas productoras de biopelículas, CBEO: Cepas bacterianas eficaces oxidantes de hierro y manganeso, PBA: Proceso biológico alternativo, MTB: Bacterias Magneto tácticas, PFB: Proceso de filtro bacteriano, UF: Ultrafiltración, AS: Agua subterránea simulada |
Se puede observar que la mayoría de los procesos analizados cuentan con eficiencia de remoción superiores a 90% y 80% de hierro y manganeso respectivamente (Figura 2), pero es necesario destacar que dicha capacidad de remoción es lograda gracias a procesos suplementarios que suelen incluirse en la metodología de remoción de los experimentos evaluados. En el caso del estudio realizado por Pleasant et al. (2014) se implementó únicamente inyección de aire directa a los pozos subterráneos y los resultados comprenden a la caracterización del agua sin tratamientos posteriores obteniendo así los resultados mostrados en la Tabla 2, en la misma tabla se puede observar los
rendimientos de un proceso de aireación desarrollado por Štembal et al. (2005) en donde los valores son significativamente mejores gracias a la incorporación de un sistema de filtrado.
Figura 2: Eficiencias de remoción de los métodos evaluados
Otro punto que es importante destacar son las ventajas y desventajas en función de los costos, eficacia, facilidad de manejo, estabilidad del proceso y formación de subproductos de interferencia que pueden ofrecer estos procesos. A continuación, se describen las principales ventajas y desventajas relacionadas con los procesos evaluados (Tabla 3).
Tabla 3: Ventajas y desventajas de los diferentes procesos de remoción de Fe y Mn
Método |
Ventajas |
Desventajas |
Costo |
Proceso de oxidación- precipitación- filtración |
• Operación simple del sistema |
• Posible dificultad logística para el transporte y almacenamiento del oxidante |
|
|
Bajo |
||
• Eliminación de agentes patógenos de acuerdo a la elección del oxidante |
• Corrosión en los sistemas de tratamiento por acción del oxidante |
||
Procesos basados en materiales de carbonato de calcio |
• La temperatura del afluente no afecta la eficiencia de remoción |
• La eficiencia se ve reducida en presencia de materia orgánica y cationes |
|
|
|
Bajo |
|
|
• Altas eficiencias de remoción |
|
|
Procesos de separación por medios filtrantes |
• No requiere de productos químicos |
• La eficiencia es reducida a altas temperaturas |
|
• Altas eficiencias y velocidad de remoción |
• Es necesario recurrir a los retro lavados de forma constante |
Bajo |
|
|
• Efectivo en la remoción de microorganismos patógenos |
|
|
Procesos de Adsorción |
• Alta eficiencia de remoción |
• Inefectivo en la remoción de microorganismos patógenos |
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• No requiere de productos químicos |
• La eficiencia se ve reducida en presencia de materia orgánica y cationes |
Bajo |
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• Operación simple del sistema |
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Procesos de ablandamiento por zeolita e intercambio iónico |
• Efectivo en la remoción de las formas orgánicas de FE y Mn |
• Menos efectivo en procesos con altas concentraciones iniciales de los metales |
Bajo |
• Capacidad de regeneración de los materiales de remoción |
• Obstrucción del sistema por oxidación |
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Procesos de aeración- filtración |
• No requiere de productos químicos |
• Elevados tiempos de residencia |
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• Altas tasas de transferencia de masa |
• De acuerdo a las condiciones del afluente, puede requerirse procesos adicionales |
Medio |
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• Altos costos iniciales de operación |
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Electrocoagulación |
• Equipamiento del sistema simple |
• Inefectivo en pH bajos |
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• Operación simple del sistema |
• Requiere de elevados potenciales eléctricos |
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• Eficiencias de remoción elevadas |
• Es necesario el reemplazo de electrodos |
Medio |
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• Posibilidad de autonomía energética mediante la utilización de paneles solares |
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Procesos biológicos |
• Eficiencias de remoción elevadas |
• Requiere de condiciones de pH específicas |
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• Alta especificidad de remoción |
• Requiere de tiempos de espera elevados para la formación de las biopelículas |
Bajo |
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• No requiere de productos químicos |
• Perdida de microbios durante el lavado |
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Procesos basados en tecnologías de membrana en combinación con pretratamientos |
•Mínimos volúmenes retenidos |
• Desgaste de las membranas |
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Alto |
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• Remoción efectiva de los contaminantes |
• Decrecimiento de la eficiencia en periodos prolongados de tratamiento |
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Procesos basados en nanotecnologías |
• Elevada selectividad de remoción |
• Toxicidad de las nano partículas |
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• Eficiencias de remoción elevadas |
• Dificultad de remoción de las nano partículas del efluente |
Alto |
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• Elevada área superficial |
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Los tratamientos para eliminación de hierro y manganeso suelen implicar diversos procesos unitarios para obtener eficiencias de remoción adecuadas para que el efluente obtenido sea aceptable para su utilización o consumo. Partiendo desde dicha premisa es necesario establecer que las tecnologías convencionales suelen ser las más adecuadas desde el punto de vista técnico- financiero ya que los principios de dichas tecnologías suelen implicar procesos de clarificación (química, física o físico-química) y filtración de forma sencilla para altas cantidades de afluentes. Además de suelen ser tecnologías de fácil operación y no emplean tecnologías patentadas (Civardi & Tompeck, 2015).
Conclusiones
Los diferentes procesos de remoción de hierro y manganeso, cuentan con eficiencias de eliminación de estos metales significativamente altas, sin embargo, dichos valores están relacionados a características y parámetros específicos. Por lo que el proceso de evaluación, selección y desarrollo de la estrategia de tratamiento implica conocer dichas características y parámetros para lograr un mayor impacto en el tratamiento. Las tecnologías convencionales como los procesos de oxidación, precipitación y filtración para la remoción de hierro y manganeso suelen ser las opciones más utilizadas ya que son de sencilla operación, funcionan para altas cantidades de afluentes y su costo suele ser bajo, pero es oportuno mencionar dado a la información recolectada que las tecnologías
innovadoras presentan resultados atractivos y pueden ser beneficiosas de acuerdo a las condiciones del medio donde se pretenda desarrollar el proceso.
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