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Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal
DETERMINACIÓN DE METALES PESADOS EN RESIDUOS SÓLIDOS Y LIXIVIADOS EN
BIORREACTORES A DIFERENTES TASAS DE RECIRCULACIÓN
María del Consuelo HERNÁNDEZ BERRIEL
1
,
Nabila Osiris ÁLVAREZ FRAGOSO
2
,
Rocio VACA
2
, Liliana MÁRQUEZ BENAVIDES
3
y Jorge LUGO
2*
1
Instituto Tecnológico de Toluca, Av. Tecnológico s/n Ex-Rancho La Virgen, Metepec, Edo. de México-México
2
Lab. de Edafología y Ambiente, Fac. de Ciencias UAEMex. Instituto Literario 100 Toluca C.P. 50000 México
3
Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, San Juanito Itzícuaro s/n, Col. San Juanito Itzícuaro,
Morelia, Michoacán-México
*Autor responsable; jorgelug@gmail.com
(Recibido agosto 2011, aceptado febrero 2012)
Palabras clave: biodigestión anaerobia, metales, tratamiento de lixiviados
RESUMEN
Los metales pesados (MP) son parte de los contaminantes que contiene el lixiviado,
este es generado por la descomposición de los residuos sólidos urbanos (RSU), el cual
por su toxicidad puede causar severos problemas al ambiente. El propósito de este
trabajo fue conocer el efecto de diferentes tasas de recirculación de lixiviados en la
concentración de MP, así como en la matriz de residuos de biorreactores anaerobios
(BrA) a escala laboratorio, para determinar la tasa que produzca la menor lixiviación
de MP. Se utilizaron 20 BrA con RSU del relleno sanitario de Pátzcuaro, Michoacán,
México; cuatro como testigos y al resto se les recircularon sus lixiviados dos veces
por semana, para mantener los contenidos de humedad de 50, 60, 70 y 80 % base hú-
meda (%Hbh) por cuadruplicado. Se dio seguimiento durante 126 días a los lixiviados
producidos, a los cuales se les determinó pH y metales pesados totales (MPT). A los
residuos sólidos descargados se les determinó pH, materia orgánica (MO), MPT y
metales pesados disponibles (MPD), Ni, Pb y Zn. Los lixiviados generados a 80 y 70
% Hbh, presentaron menor lixiviación de MP, mientras que a 50 % Hbh durante las
fases de hidrólisis y acidogénesis mostraron concentraciones elevadas. Para MPT en
los residuos sólidos, Ni y Pb presentaron diferencias signiFcativas entre las muestras
y en cuanto a los MPD sólo existieron diferencias signiFcativas para Zn. Los residuos
sólidos de todas las tasas de recirculación pueden utilizarse como mejoradores de suelo
por su alto contenido de MO y baja concentración de MP.
Keys words: anaerobic biodigestion, metals, treatment of leachate
ABSTRACT
Heavy metals (MP) are part of the pollutants contained in the leachate, which is gener-
ated by the decomposition of municipal solid wastes (RSU), which it by toxicity causing
severe problems to the environment. The objective of this study was to determinate the
effect of different rates of leachate recirculation in the concentration of MP, and in the
Rev. Int. Contam. Ambie. 28 Sup. (1) 77-82, 2012
M.C. Hernández Berriel
et al.
78
waste of the matrix of anaerobic bioreactors (BrA) at laboratory scale, to determinate
the rate that produced a minor leaching of MP. There were used 20 BrA with RSU
from landFll of Pátzcuaro, Michoacán, México; four as controls, and for the other 16,
its leachates were recirculated twice a week in order to keep the moisture contents of
50, 60, 70, 80% wet basis (% Hbh) by quadruplicate. The leachates that were produced
were followed for 126 days, and pH and total heavy metals (MPT) were determined.
pH, organic matter (MO), MPT and available heavy metals (MPD), Ni, Pb and Zn were
determined in solid discharges wastes. On the other hand, the leachate generated at 80
and 70% Hbh showed less lixiviation of HM, whereas 50% Hbh during hydrolysis and
acidogenic phases showed high concentrations of HM. For MPT in solid waste, Ni and
Pb, they showed signiFcant differences among the samples, and regarding to the MPD,
there were only signiFcant differences in Zn. The solid waste recycling of all rates can
be used as soil amendments for its high content of MO and low metal concentration.
INTRODUCCIÓN
La disposición Fnal de los residuos sólidos urba
-
nos (RSU) en rellenos sanitarios (RESA), en sitios
controlados o en tiraderos a cielo abierto, da lugar
a la generación de lixiviado y biogás, derivados de
los procesos de descomposición microbiana y de los
componentes de los residuos (Kiss y Encarnación
2006).
Los lixiviados contienen concentraciones ele-
vadas de contaminantes orgánicos e inorgánicos,
incluyendo ácidos húmicos, sustancias orgánicas,
nutrientes y metales pesados (MP), así como, sales
inorgánicas que elevan la conductividad eléctrica y
agentes infecciosos (Wiszniowski
et al.
2006). Los
tipos de materia orgánica (MO) tienen in±uencia en
la toxicidad de los MP. La interacción de las sustan-
cias orgánicas solubles con los metales puede ser
afectada por el pH, de manera que los MP tienden
a separarse de los sólidos cuando el pH decrece, y
cuando se incrementa se adsorben o precipitan, pero
sólo hasta cierto límite, después del cual son de nuevo
solubilizados (Bourg y Loch 1995).
Los componentes de los lixiviados pueden ser
movilizados hacia el suelo, estar en posición de ser
absorbidos por las plantas o perfusionar hacia los
mantos acuíferos y afectar los suministros de agua po-
table (Álvarez
et al.
2002). Los MP pueden ingresar
a las redes tróFcas y ocasionar, en primera instancia,
bioacumulación y una posterior biomagnifcación a
través de los niveles tróFcos superiores (González
et al.
2009).
Para mitigar la contaminación al ambiente resulta
imprescindible conocer las características del lixi-
viado generado y tratarlo. Una opción para el trata-
miento de lixiviados es su recirculación en la matriz
de residuos que los generó, de manera que se reduce
su potencial de contaminación y se aceleran los
procesos de degradación anaeróbica de la MO de los
RSU (Reinhart
et al.
2002, Kiss y Encarnación 2006).
El objetivo de este trabajo fue conocer el efecto de
diferentes tasas de recirculación de lixiviados en la
concentración de MP en los lixiviados producidos y
en la matriz de residuos sólidos degradados anaeró-
bicamente, para determinar la tasa a la que ocurre la
menor lixiviación de MP.
MATERIALES Y MÉTODOS
Montado y operación de biorreactores a escala
laboratorio
Se utilizaron 20 biorreactores anaerobios (BrA) a
escala laboratorio
construidos en policloruro de vinilo
(PVC) cédula 40 (5 cm de diámetro y 18 cm de altura).
Cada BrA se cargó con 215.19 g de una mezcla de RSU
previamente preparada (
Cuadro I
), se le colocó 32.15
g de suelo como material de cobertura (MC) y se le
compactó al mismo peso volumétrico que el del RESA
del Municipio de Pátzcuaro, Michoacán (600 kg/m).
Se establecieron cinco tratamientos con cuatro re-
peticiones cada uno. La operación inició con la adición
de agua en las cantidades de 62, 124, 248 y 496 mL,
con el Fn de alcanzar los contenidos de humedad de
50, 60, 70 y 80 % base húmeda (% Hbh). La recir-
culación de sus correspondientes lixiviados a cada
BrA se realizó con una bomba peristáltica dos veces
por semana a 2 ml/min. Cuatro BrA se mantuvieron
como testigos, sin humidiFcación adicional.
Determinaciones analíticas
A las muestras iniciales de RSU y MC y a los
residuos descargados (biosólidos) después de 126
días de operación de cada uno de los 20 BrA, se les
determinó; pH según la NMX- AA-25-1984), MO
por el método de ignición (Davies 1974). Se dio se-
METALES PESADOS EN RESIDUOS SÓLIDOS Y LIXIVIADOS
79
guimiento a los lixiviados producidos analizándoles
periódicamente tanto el pH con base en la NMX-AA-
08-SCFI, como a los metales pesados totales (MPT)
(SEMARNAT 2009).
La digestión de las muestras sólidas para los MPT
se realizó utilizando una solución de HNO
3
+ HCl en
una relación 4:1; para los MPD se realizó según la
técnica de Lindsay y Norvell (1978); la determina-
ción de la concentración de MPT y MPD tanto en
lixiviados como en muestras sólidas, para los metales
Ni, Pb y Zn, se realizó utilizando un espectrofotó-
metro de absorción atómica, marca Perkin-Elmer,
Modelo 3110.
A los resultados obtenidos se les aplicó una prueba
de ANOVA y comparación de medias por Tukey, con
un nivel de confanza del 95 %, mediante el SoFtware
estadístico Statgraphics plus 5.0 ®.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Análisis de lixiviados
Los pH de los primeros lixiviados producidos en
todos los BrA con recirculación (
Fig. 1
), presentaron
valores ácidos (cercanos a pH 5.0), los cuales fueron
indicio de una dilución y arrastre importantes de áci-
dos orgánicos (Francois
et al.
2007). Considerando
el pH de 6.5 como el término de la fase acidogénica
e inicio de la fase metanogénica (Chugh
et al.
1998),
la metanogénesis se alcanzó en relación directa a los
niveles de recirculación de 80, 70, 60 y 50 % Hbh
(días 97, 111, 118 y 139).
El hecho de que los lixiviados de los BrA al 50
y 60 % Hbh presenten valores de pH inferiores a
los de 70 y 80 % Hbh, puede atribuirse a que los
volúmenes de lixiviado recirculado a 50 y 60 % Hbh
no fueron capaces de arrastrar los ácidos orgánicos
volátiles, de manera que afectaron el microambien-
te y retardaron el inicio de su fase metanogénica
(Sanphoti
et al.
2006). En la metanogénesis todos los
BrA con recirculación lograron la neutralidad en la
semana 22, presentando diFerencias signifcativas en
los pH de BrA al 80 % Hbh con los otros regímenes
de humedad.
Las
fguras 2
a
4
muestran las dinámicas de Ni,
Pb y Zn, las cuales concuerdan con lo reportado por
Kylefors y Lagerkvist (1997), ya que la concentración
de MP se reduce conforme los lixiviados van incre-
mentando sus valores de pH. En general los lixiviados
producidos en los BrA’s a 50 % Hbh presentaron las
mayores concentraciones de MP entre los primeros
15 días, cuando los valores de pH eran ácidos, debido
a que valores ácidos en lixiviados permiten mayor
disponibilidad o movilidad de MP, lo cual es una de
las características del lixiviado de un vertedero joven
(Bozkurt
et al.
1999, Kjeldsen
et al.
2002).
Los lixiviados de la fase metanogénica presenta-
ron menores concentraciones de MP que al principio
del experimento, lo que puede explicarse en función
de los procesos de sorción y precipitación, ya que
los RSU que contienen suelo y MO tienen una ca-
CUADRO I.
CARACTERIZACIÓN DE SUBPRODUCTOS DE LOS RSU
DE PÁTZCUARO, MICHOACÁN
Subproductos
p/p
Subproductos
p/p
Unicel
0.76
Cartón
1.07
Envase de cartón encerado
1.21
Material no ferroso
1.31
Material ferroso
1.76
Pañal desechable
1.89
Material de construcción
1.91
PET
2.67
Trapo
3.31
Vidrio
3.48
Polietileno de alta densidad
3.81
Plástico de película
4.74
Papel
5.97
Residuos de jardinería
31.86
Residuos alimenticios
34.25
Total
100.00
Fuente: Hernández-Berriel
et al
. ( 2009). p/p, porcentaje en peso
8.0
7.5
7.0
6.5
5.5
4.5
6.0
5.0
4.0
0
30
60
90
120
80 %Hbh
70 %Hbh
60 %Hbh
50 %Hbh
Tiempo de operación (días)
Fig. 1.
pH de lixiviados producidos a cuatro niveles de recircu-
lación de lixiviados
M.C. Hernández Berriel
et al.
80
pacidad signifcativa de sorción, especialmente a
valores de pH neutro a básico (Bozkurt
et al.
1999).
Adicionalmente, como lo reportan Reinhart y Grosh
(1998), las solubilidades de los metales con sulfuros
y carbonatos son menores, lo cual es a menudo citado
como una explicación para la concentración baja de
MP en lixiviados.
Análisis de residuos sólidos
En el
cuadro II
las tres primeras flas muestra
características de los materiales cargados en los BrA,
donde puede verse que las características del suelo
afectaron las de los RSU preparados. El pH fue prác-
ticamente neutro para todas las muestras de residuos
sólidos descargados, independientemente de la recir-
culación utilizada, lo que indica la biodegradación
de la MO de los RSU iniciales y el alcance de la fase
metanogénica en todos los BrA. La biodegradación
también se puede apreciar en la diferencia de valores
de MO entre los residuos cargados y los descargados,
aunque no se observaron diFerencias signifcativas
en los resultados.
Al comparar los MPT de los residuos cargados en
los BrA (RSU + MC) con respecto a los descargados,
para Ni y Pb al 80 % Hbh mostraron ser diferentes
con respecto al inicio. Para los MPD, la adición de
agua presentó efecto en la concentración de Zn, entre
los biosólidos resultantes de los BrA’s testigo y los
de 70 y 80 % Hbh.
Las concentraciones de MP tienden a aumentar
conforme se incrementan los niveles de recirculación
de lixiviados, sugiriendo que el incremento en las
concentraciones de Ni, Pb y Zn, es generado como
resultado de pérdida de la masa en los sitios de dis-
posición (Fang y Wong 1999, Sinan
et al
. 2007). Los
bajos contenidos de Ni disponible pueden deberse
a que este elemento se encuentra adsorbido por los
altos contenidos de MO, o bien formando quelatos
solubles (Webb 1970, Knezez y Ellis 1980, Kabata-
Pendias y Pendias 1984). El alto contenido de MO
puede favorecer la reducción del Pb y también su
movilidad, atribuida a la lixiviación del metal como
un complejo quelatado soluble con la MO (Kabata-
Pendias y Pendias 1984, Cala y Rodríguez 1989).
CONCLUSIONES
Los lixiviados producidos a las recirculaciones de
80 y 70 % Hbh alcanzaron la fase metanogénica, así
como la neutralidad en menor tiempo y presentaron
menor lixiviación de MP, lo que sugiere que fueron
mejores para la estabilización del lixiviado.
La tasa de recirculación de 70 % Hbh fue mejor,
en comparación con el resto de las humedades, ya que
se presentó menor concentración de MP en lixiviados
y biosólidos.
El residuo sólido resultante del tratamiento de los
RSU en los biorreactores anaerobios a las cuatro tasas
de recirculación de lixiviados, puede ser usado como
mejorador de suelo por su alto contenido de materia
12
mg L
–1
10
8
4
2
6
0
4
5
6
8
9
12
13
17
37
49
63
77
84
98 126
80 %Hbh
70 %Hbh
60 %Hbh
50 %Hbh
Tiempo de operación (días)
Fig. 2.
Dinámica de Ni en lixiviados producidos en BrA con
recirculación
10
mg L
–1
9
8
7
4
3
2
1
6
5
0
4
6
9
13
37
63
84
126
80 %Hbh
70 %Hbh
60 %Hbh
50 %Hbh
Tiempo de operación (días)
Fig. 3.
Dinámica de Pb en lixiviados producidos en BrA con
recirculación
Fig. 4.
Dinámica de Zn en lixiviados producidos en BrA con
recirculación
300
mg L
–1
250
100
50
200
150
0
4
6
9
13
37
63
84
126
80 %Hbh
70 %Hbh
60 %Hbh
50 %Hbh
Tiempo de operación (días)
METALES PESADOS EN RESIDUOS SÓLIDOS Y LIXIVIADOS
81
CUADRO II
. CARACTERIZACIÓN DE RESIDUOS CARGADOS Y DESCARGADOS DE BrA
Muestras
pH
MO (%)
MPT
(mg/L)
MPD
(mg/L)
Ni
Pb
Zn
Ni
Pb
Zn
MC (suelo )
5.45
8.12
-
-
-
-
-
-
RSU (inicial)
6.04
61.51
-
-
-
-
-
-
RSU + MC
5.82
59.94
a
26.43
b
21.84
bc
43.24
a
-
-
-
BrA’s control
6.90
a
57.34
a
35.34
ab
29.04
bc
132.83
a
3.22
a
18.76
a
35.16
c
50 % Hbh
6.97
a
56.41
a
43.64
ab
17. 84
c
356.60
a
4.33
a
15.72
a
48.09
bc
60 % Hbh
7.22
a
53.13
a
38.51
ab
20.16
bc
158.00
a
2.44
a
16.32
a
54.11
abc
70 % Hbh
7.29
a
55.32
a
46.90
ab
53.65
ab
225.32
a
3.74
a
18.00
a
78.47
a
80 % Hbh
7.28
a
52.50
a
62.58
a
72.43
a
196.34
a
2.19
a
18.29
a
60.55
ab
Letras diferentes en la misma columna denotan diferencias signiFcativas (P < 0.05). - indica no realizado
orgánica y baja concentración de MP, sin provocar
algún daño al ambiente.
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