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1. Introducción
A partir del siglo XV la minería en México ha jugado un papel importante para el crecimiento social y económico del país (Armientaet al., 2003). En Guerrero, al igual que en el resto del país, la minería se convirtió en una de las actividades más importantes con la llegada de los españoles (Miret, 2012). En la actualidad, el distrito minero Taxco se reconoce como uno de los distritos mineros más importantes del continente (Bustamanteet al., 2003; SGM, 2016; Sánchez-Montoyaet al., 2019). La economía de una gran cantidad de pobladores depende de la elaboración y venta de joyería y artesanías a base de plata. Dentro de la mancha urbana existen talleres artesanales en donde se realizan trabajos de orfebrería. Como consecuencia de esta actividad, se generan residuos sólidos y líquidos de los cuales no existe información precisa sobre su estrategia de disposición final. Algunos de estos residuos podrían ser vertidos e incorporados a la red de alcantarillado del agua residual municipal (ARM) e incorporar metales pesados y metaloides potencialmente tóxicos (MPMPT) y alterar la composición delARM(Ramirez-Navaet al., 2022). Posteriormente, a través de la red de drenaje municipal es conducida hacia la planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR) Taxco de Alarcón para su tratamiento. LaPTARes una planta relativamente nueva que inició operaciones en el año 2016 con una capacidad máxima instalada para tratar un caudal de 100 L deAR/s(CONAGUA, 2017).
Uno de los principales problemas a los que se enfrentan lasPTARs es la gran cantidad de lodos residuales (LR) que generan como consecuencia de la depuración delARM(Ortíz-Hernándezet al., 1995; Tchobanoglouset al., 2003). La Norma Oficial Mexicana “NOM-004-SEMARNAT-2002” establece las especificaciones y límites máximos permisibles de contaminantes presentes enLRpara poder decidir sobre su disposición final de acuerdo con una clasificación. Uno de los parámetros más importantes considerados por la norma para establecer una primera clasificación entre excelentes o buenos es la presencia y concentración de 8MPMPT: Cd, Cr, Cu, Pb, Hg, Ni, Zn y As. La NOM-004-SEMARNAT-2002 separa los residuos sólidos producidos por unaPTARen lodos y biosólidos. Los biosólidos son definidos como“lodos que han sido sometidos a procesos de estabilización y que por su contenido de materia orgánica, nutrientes y características adquiridas después de su estabilización, pueden ser susceptibles de aprovechamiento”. Por otro lado, los lodos se definen como“sólidos con un contenido variable de humedad, provenientes de desazolve de los sistemas de alcantarillado urbano o municipal, de las plantas potabilizadoras y de las plantas de tratamiento de aguas residuales, que no han sido sometidos a procesos de estabilización”(SEMARNAT, 2003). El manejo y disposición de estos residuos se ha convertido en un problema general a nivel mundial. La incineración o disposición en rellenos sanitarios son las primeras opciones de tratamiento para losLR(Cardosa Vigueros y Ramírez Camperos, 2002; Limón Macías, 2013). Sin embargo, losLRse caracterizan por poseer un elevado contenido de humedad, elevado contenido de materia orgánica (hasta 50%), microorganismos, macronutrientes como C, N, P y K en concentraciones de 30, 1-6, 0.8-6.1 y <1%, respectivamente, y micronutrientes como Ca+2, Fe+2, Mg+2, Mn+2y Zn+2en diferentes concentraciones (Ortíz-Hernándezet al., 1995; Campos Medinaet al., 2009). Estas características confieren un valor agregado a estos residuos y los convierte en una propuesta interesante para ser aprovechados como fuente de carbono y nutrientes para suelos erosionados o desgastados nutricionalmente (Campos Medinaet al., 2009; Limón Macías, 2013; Carreto-Moraleset al., 2021). Por las características físicas, químicas y biológicas que presentan losLRhan sido ya empleados en varias partes del mundo (USA, Francia, Reino Unido y varios países latinoamericanos) para mejorar las propiedades físicas de los suelos de cultivo (Castroet al., 2007). LosLRmejoran la porosidad, el drenaje, la retención de agua, evitan la erosión y también aportan una gran cantidad de nutrientes esenciales para el crecimiento de las plantas, al enriquecer suelos arenosos.
Entre los cultivos que se han evaluado usandoLRo una combinación de suelo conLRse encuentran: maíz, nopal, lechuga, zanahoria, otros cultivos hortícolas, pasto forrajero, plantas de ornato y cultivos frutícolas (Woo Reza, 2003; Campos Medinaet al., 2009; Carreto-Moraleset al., 2021). Sin embargo, algunos estudios han evidenciado la presencia deMPMPTque no forman parte del grupo considerado como micronutrientes y podrían representar un factor de riesgo y contaminación para el medio ambiente si losLRcontaminados conMPMPTson dispersados en el suelo (Cuevaset al., 2006; Salcedo-Pérezet al., 2007; Limón Macías, 2013; Vélez-Pérezet al., 2020).
Una de las propuestas para la disposición de losLRgenerados por laPTARTaxco de Alarcón por las características nutricionales que en general presentan es usarlos como mejoradores del suelo y dispersarlos en los suelos agrícolas de la región. Sin embargo, por las actividades de orfebrería y otras actividades antrópicas que se realizan dentro de la ciudad de Taxco de Alarcón, existe la probabilidad de que elARMtratada por laPTAResté contaminada conMPMPTy en consecuencia losLRpresenten un contenido importante de estos elementos tóxicos. Hasta lo mejor de nuestro conocimiento, no existe un estudio sobre la presencia y concentración deMPMPTpresentes en losLRgenerados por laPTAR“Taxco de Alarcón”. Sin embargo, la presencia de estos elementos no siempre representa un riesgo para el ambiente, específicamente sobre el recurso hídrico, suelo, flora, fauna o para la salud de la sociedad. Esto dependerá de la geodisponibilidad,i.e., del potencial de liberación o movilidad que presenten losMPMPTen función de su asociación a diferentes fases minerales y de los diferentes procesos mecánicos, químicos o biológicos a los que son expuestos que puedan conducir a su liberación o movilidad (López Julián y Mandado Collado, 2002; González Floreset al., 2009; Rodríguez Pacheco, 2011; Martínez-Alvaet al., 2020). Por lo anterior, los objetivos de esta investigación fueron:i)identificar y cuantificarMPMPTpresentes en losLRgenerados por laPTAR“Taxco de Alarcón” en Guerrero, México;ii)determinar el potencial de geodisponibilidad de losMPMPTmediante una extracción química secuencial (EQS) yiii)proporcionar una metodología detallada para realizar una digestión total (DT) yEQSempleandoLR.
2. Descripción del sitio de estudio
En el suroeste de México se ubica el estado de Guerrero donde Taxco de Alarcón es uno de los municipios más importantes localizado en la región Norte del estado (Campa-Urangaet al., 2012). LaPTARde Taxco de Alarcón se localiza al sureste del poblado de Taxco de Alarcón. Se encuentra limitada por las coordenadas 437964 m E y 2050086 m N y está dentro de la carta topográfica Taxco Escala 1: 50,000 (E14-A68) publicada por el INEGI. La principal vía de acceso al sitio de estudio es mediante la carretera federal No. 95 México-Acapulco, por la carretera de cuota o la libre. Aproximadamente, a 176 km de la ciudad de México se encuentra una desviación a la altura del poblado “Cerro Gordo” con dirección a la comunidad de Xochula. A partir de esta desviación, el sitio de estudio se encuentra aproximadamente a 4.9 km. LaPTARda tratamiento a descargas urbanas provenientes de la cabecera municipal del municipio de Taxco de Alarcón. LaPTARtiene una capacidad instalada de 100 L deARM/s,i.e., cuenta con una capacidad para tratar 8,640 m3deARM/día y el proceso de tratamiento empleado es mediante lodos activados (CONAGUA, 2017).
Sin embargo, en el año 2020, los operadores de laPTARTaxco de Alarcón reportaron que esta planta trata un caudal promedio real de ~60 L deARM/s. Tchobanoglouset al. (2003) reportaron que por cada 3.78 m3deARMtratada se producenca.0.94 kg deLR(en base seca). Es decir, si laPTARTaxco de Alarcón trabajara a su máxima capacidad y tomará como base de cálculo el valor promedio reportado por Tchobanoglouset al. (2003), la cantidad deLRproducidos estimada seríaca.2.16 Ton deLR/día (en base seca),i.e., 788.4 Ton deLR/año (en base seca).
Sin embargo, considerando como base de cálculo el caudal promedio real (~60 L deARM/s), laPTARTaxco de Alarcón produce en promedioca.1.30 Ton deLR/día (en base seca) que se traducen en 474.5 Ton deLR/año (en base seca). Lodos que hasta el momento son deshidratados y almacenados en un área dentro de la mismaPTAR. Por otro lado, el agua tratada es vertida hacia el arroyo Cacahuatepec que funciona como cuerpo receptor y que posteriormente se convierte en Río Taxco (CONAGUA, 2019). Este río presenta una orientación N-S y es una fuente importante de agua superficial para las comunidades aledañas (Méndez-Ramírez y Armienta Hernández, 2012).
3. Materiales y métodos
3.1. MUESTREO
La recolección de losLRse llevó a cabo directamente en laPTAR“Taxco de Alarcón, Guerrero” de acuerdo con lo establecido en la NOM-004-SEMARNAT-2002. Se colectó una masa de 2 kg de lodos pre-deshidratados divididos en dos bolsas de polietileno. Las bolsas fueron selladas herméticamente y se transportaron inmediatamente al Laboratorio de Geoquímica de la Escuela Superior de Ciencias de la Tierra perteneciente a la Universidad Autónoma de Guerrero (UAGro). Adicionalmente, directamente de la tubería de descarga de los lodos residuales líquidos se tomó aproximadamente 1 L de muestra en una botella de polipropileno lavada con HNO38M y agua desionizada.In situy a partir de losLRlíquidos se les determinó el pH, Eh, conductividad eléctrica y temperatura empleando un equipo Orion Versa Star.
3.2. PREPARACIÓN DE LOS LODOS RESIDUALES
Las muestras fueron colocadas en recipientes de aluminio con las siguientes dimensiones 45.8 X 33.8 X 6.5 cm y fueron cubiertos con una tela que permitiera la evaporación del agua, pero evitará la entrada de polvo. El proceso de secado se llevó a cabo a temperatura ambiente (28 ± 3 ºC) durante un mes. Durante este tiempo, losLRen proceso de deshidratación fueron mezclados constantemente para evitar la formación de grandes agregados y exponer zonas de mayor humedad con la superficie externa. Una vez deshidratados se empleó el método del cuarteo para definir la fracción de la muestra a pulverizar. Este método consistió en dividir la muestra total en 4 partes iguales. Posteriormente, 3/4 partes de la muestra se eligieron como muestra testigo y se almacenaron en laboratorio en un lugar fresco y seco, libre de contaminación. La fracción complementaria fue empleada para triturar y pulverizar durante ~60 min usando un molino de rotor marca Restcsh.
Finalmente, losLRpulverizados fueron cribados empleando un tamiz de acero inoxidable No. 230 para separar las partículas finas y muy finas (<63 µm). Un tamaño de partícula muy fino presenta una mayor solubilidad que cristales de mayor tamaño y esto se traduce en un aumento en la eficiencia de extracción (Krauskopf y Bird, 2003; González-Floreset al., 2011). La fracción recuperada fue colocada en un frasco de plástico sellado herméticamente y almacenada en un lugar fresco y seco libre de contaminación para posteriores análisis.
3.3. IDENTIFICACIÓN DE FASES MINERALES EN LOS LODOS RESIDUALES MEDIANTE DIFRACCIÓN DE RAYOS X
Una masa de 1 g de muestra previamente tami- zada con la malla No. 230 se colocó en un porta muestras de polimetilmetacrilato. Posteriormente, la mineralogía se analizó empleando un difractómetro de rayos X (DRX) Bruker AXS D8 Advance con detector LINXEYE SSD160-2 dentro de la Escuela Superior de Ciencias de la Tierra de laUAGro. Las condiciones empleadas para la determinación fueron un voltaje 40 kV y una corriente de 15 mA. El análisis de los difractogramas se realizó por comparación con la base de datos EVA de manera automatizada.
3.4. ANÁLISIS DE LA COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS LODOS RESIDUALES POR MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO Y ESPECTROSCOPÍA DE DISPERSIÓN DE ENERGÍA DE RAYOS X
Una masa de ~10 mg deLRcon tamaño de partícula <63 µm se colocó en un porta muestras de aluminio con cinta de grafito de doble cara y se recubrió con grafito mediante evaporación térmica de carbón. Para este proceso se usó una recubridora de la marca Denton Vaccum modelo Desk Carbon Accessory. Posteriormente, la muestra preparada fue analizada mediante un microscopio electrónico de barrido (SEM, por sus siglas en inglés) marca JEOL IT300-LV. Este equipo cuenta con un detector de espectroscopía de dispersión de energía de rayos X (EDS, por sus siglas en inglés) marca Bruker, Quantax: Xflash 6|30. El ángulo de escape se fijó a 35° y todos los análisis se hicieron a 20 keV y WD 10 mm. El área de excitación de los electrones fue de entre 1 y 2 µm de diámetro, dependiendo de la composición e irregularidades de la superficie de las partículas. La técnicaSEM-EDSidentifica todos aquellos elementos que presenten una abundancia relativa >0.5%,i.e., aquellos elementos que se encuentren en una cantidad >0.5% en proporción de la muestra completa. El conteo total de partículas para hacer los análisis deEDSestuvo en el rango de 10 mil cuentas por 5 s, lo que se considera un resultado preciso para concentraciones mayores al 1%.
3.5. DIGESTIÓN TOTAL
LaDTtambién conocida como digestión ácida se realizó por triplicado empleandoLRcon un tamaño de partícula <63 µm (Tessieret al., 1979). En un vaso de digestión Savillex (VDS) de 20 mL se pesaron 250 mg deLR. Posteriormente, se agregaron 5 mL de H2O desionizada + 5 mL de HNO3grado reactivo. Enseguida, empleando una plancha térmica (~90 °C), se evaporó la solución delVDShasta casi sequedad. Después, se agregaron 9 mL de HCl + 3 mL de HNO3grado reactivo y se cerró elVDSpara llevar a calentamiento durante 12 horas (h) a ~90 °C. Concluido el tiempo de calentamiento, se dejó enfriar y se llevó a evaporación durante ~15 h a ~90 °C. Posteriormente, se agregó alVDS1 mL de HNO3grado reactivo + 9 mL de HF (48%). A continuación, se calentó durante 43 h a una temperatura ~50 °C. Al finalizar este periodo de calentamiento, la solución fue evaporada empleando una temperatura de ~90 °C. Este proceso se repitió tres veces, sin embargo, la muestra no se solubilizó. Se decidió aumentar la temperatura y se hicieron tres rondas al añadir HNO3y HF en la proporción establecida, durante 24 h a una temperatura ~200 °C. Posteriormente, la solución fue evaporada hasta casi sequedad a una temperatura ~250 °C durante ~6 h. Debido a que aún persistía material sólido como parte de la muestra, una nueva combinación de ácidos fue establecida. Se agregó alVDS9 mL de HNO3grado reactivo + 1 mL de HClO4(70%) y se procedió a su calentamiento durante 18 h a una temperatura de ~120 °C. Enseguida, se evaporó la solución hasta casi sequedad a una temperatura ~200 °C durante ~5 h; este proceso se realizó dos veces. Posteriormente, se agregó 5 mL de H2O desionizada + 5 mL de HNO38M dentro delVDS. Se calentó nuevamente durante 20 h a una temperatura de ~120 °C. Enseguida, se evaporó la solución hasta casi sequedad a una temperatura ~200 °C alrededor de 4 h. Se dejó enfriar y se agregó 10 mL de HNO3(2%) y se calentó nuevamente durante 18 h a una temperatura de ~60 °C. Por último, se dejaron enfriar losVDSy la mezcla obtenida fue filtrada con papel filtro Whatman No. 42. El filtrado fue colectado en un matraz volumétrico de 25 mL y aforado con agua desionizada. La solución final se transfirió a una botella de polipropileno de alta densidad (Nalgene) y las muestras fueron almacenadas a una temperatura de ~4 °C hasta su análisis mediante Espectroscopía de Emisión Atómica por Acoplamiento de Plasma Inducido (ICP-AES). El equipo utilizado fue un Perkin Elmer Optima 3200 DV. El contenido deMPMPTsoluble fue verificado empleando cuatro estándares para agua residual certificados de alta pureza de acuerdo con Talavera Mendozaet al. (2005) y Vélez-Pérezet al. (2020): CWWTM-A, CWW-TM-D, CWW-TM-E y CWW-TM-H. Las concentraciones más bajas determinadas en los estándares certificados fueron (mg/L): Ag y Cd, 0.005; Co, Cu, Fe, Mn, Pb, V y Zn, 0.025; As, Ba, Mo, Sb, y Se, 0.010. Estas concentraciones fueron consideradas como los límites de detección del método utilizado.
3.6. EXTRACCIÓN QUÍMICA SECUENCIAL
LaEQSse desarrolló tomando como base la metodología original establecida por Tessieret al., (1979) y la modificación propuesta por Loring y Rantala (1992) donde la fracción intercambiable (FI) es dividida en dos fracciones: la fracción soluble (FS) y la fracción adsorbida (FA). El procedimiento para realizar laEQSdeMPMPTa partir de losLRde laPTARde Taxco de Alarcón se realizó por triplicado y consistió en ir separando un sobrenadante que se solubiliza con ciertas soluciones, de una fracción sólida que no se solubiliza. Así, la fracción sólida será el sustrato para la siguiente reacción. Al final, la suma de todas las fracciones debe ser aproximadamente igual a los valores obtenidos de laDT.
La fracción residual (FR), la fracción asociada a sulfuros y materia orgánica (FS MO) y la fracción de oxihidróxidos de Fe - Mn (FO Fe-Mn) fueron analizadas empleandoICP-AESy los estándares previamente descritos. Por otro lado, la concentración asociada a la fracción de carbonatos (FC) yFIfue estimada algebraicamente mediante la ec. 1 y 2 (Tessieret al., 1979; López Julián y Mandado Collado, 2002; González-Floreset al., 2011).
dondeFIrepresenta la fracción intercambiable,FAla fracción adsorbida yFSla fracción soluble.
dondeFC+FIrepresenta la suma total de la concentración de cadaMPMPTasociado a laFCy a laFI,DTrepresenta la concentración total en la muestra de cadaMPMPT,FRla fracción residual,FS MOla fracción asociada a sulfuros y materia orgánica, yFO Fe-Mnla fracción de oxihidróxidos de hierro y manganeso.
3.6.1. FRACCIÓN INTERCAMBIABLE (FI)
Fracción soluble(FS). La extracción de losMPMPTse desarrolló pesando 1 g deLRcon un tamaño de partícula <63 µm en un tubo para centrífuga de 50 mL. Se agregaron 8 mL de agua desionizada y se agitó vigorosamente durante 15 s con ayuda de un vortex. Una vez homogenizada la muestra, se centrifugó 5 min a 6,000 rpm. Nuevamente, se agitó 15 s en vortex y 1 h a 350 rpm en un agitador orbital. Se centrifugó 30 min a 6,000 rpm. Se filtró el sobrenadante empleando papel filtro Whatman No. 42 en un matraz volumétrico de 25 mL. Nuevamente, al residuo sólido le fueron agregados 8 mL de agua desionizada y agitado 30 s en vortex y 5 min a 350 rpm en un agitador orbital. Se centrifugó durante 20 min a 6,000 rpm y el sobrenadante se filtró en el mismo matraz volumétrico de 25 mL. Finalmente, el volumen total recuperado fue acidificado con 5 gotas de HNO3ultrex II y se aforó a un volumen final de 25 mL. La solución final se transfirió a una botella de polipropileno de alta densidad (Nalgene) y se mantuvo a una temperatura de ~4 °C hasta su análisis.
Fracción adsorbida(FA). Al residuo sólido generado de laFSse agregaron 8 mL de acetato de sodio (CH3COONa) 1 M, se agitó por 15 s en vortex y se centrifugó durante 5 min a 6,000 rpm. Se agregaron 2 gotas de fenolftaleína. Si la solución adquiere un color rosa (pH > 8), se ajusta el pH a 8 agregando CH3COOH 1 M hasta que la solución queda transparente. Por otro lado, si la solución se torna amarilla (pH < 8), como sucedió con losLR, se agrega una gota de NaOH 1 M (para obtener una coloración rosa) y nuevamente se agrega CH3COOH 1 M hasta obtener una coloración transparente. La solución de pH 8 se agitó por 15 s en vortex y después durante 1 h a 350 rpm en un agitador orbital. Se centrifugó 30 min a 6,000 rpm y el sobrenadante se filtró empleando un papel Whatman No. 42 en un matraz volumétrico de 25 mL. Nuevamente, al residuo sólido se le agregaron 8 mL de CH3COONa 1 M y se agitó 30 s en vortex y 5 min a 350 rpm en un agitador orbital. Se centrifugó durante 20 min a 6,000 rpm. Por segunda vez, se recuperó y filtró el sobrenadante en el mismo matraz. El volumen total recuperado se acidificó con 5 gotas de HNO3ultrex II y se aforó a 25 mL. La solución final se manejó como se indica en el proceso de extracción de laFS.
3.6.2. FRACCIÓN ASOCIADA A CARBONATOS (FC)
El residuo sólido obtenido después de realizar laFAfue empleado para obtener losMPMPTasociados a laFC. Un volumen de 8 mL de CH3COONa 1 M fue agregado dentro del tubo de centrífuga y se agitó 30 s en un vortex. Se centrifugó 5 min a 6,000 rpm. Posteriormente, se determinó el pH agregando 3 gotas de rojo de metilo. Si el sobrenadante se torna rosa se continúa el procedimiento.
Por otro lado, si el sobrenadante se torna ligeramente amarillo al agregar rojo de metilo (como sucedió con la muestra deLR), se agrega CH3COOH 1 M cuidadosamente hasta obtener una tonalidad ligeramente rosa. En estas condiciones, el color rosa indica un pH ~5, condición necesaria para continuar el procedimiento. A continuación, se agitó por 5 h a 350 rpm en un agitador orbital. Posteriormente, se centrifugó 30 min a 6,000 rpm y el sobrenadante se filtró con papel filtro Whatman No. 42 en un matraz volumétrico de 25 mL. Nuevamente, al residuo sólido del tubo se le agregaron 8 mL CH3COONa 1 M. Se agitó 15 s en vortex y 5 min a 350 rpm en un agitador orbital. Se centrifugó durante 20 min a 6,000 rpm. El sobrenadante se filtró con el mismo filtro y la solución fue recuperada en el mismo matraz. La solución se acidificó con 5 gotas de HNO3ultrex II y se aforó a 25 mL. La solución final se manejó como se indica en el proceso de extracción de laFS.
3.6.3. FRACCIÓN ASOCIADA A OXIHIDRÓXIDOS DE Fe-Mn (FO Fe-Mn)
Al residuo sólido generado de laFCse agregó un volumen de 20 mL de cloruro de hidroxilamina (NH2OH•HCl) 0.04 M en 25% (v/v) de CH3COOH. La muestra se agitó 30 s en un vortex y fue transferida a un vaso de precipitado de 250 mL el cual se cubrió con una película de parafilm.
Posteriormente, el vaso se calentó durante 6 h en una plancha térmica ~95 °C con agitación manual a intervalos de 30 min. Transcurrido el calentamiento, se dejó enfriar a temperatura ambiente y se regresó la muestra al tubo de centrífuga. Empleando 12 mL de agua desionizada, el vaso fue enjuagado y el agua recuperada en el tubo de centrífuga. Se centrifugó durante 30 min a 6,000 rpm y el sobrenadante se recuperó en un matraz volumétrico de 50 mL filtrando con papel Whatman No. 42. Al residuo sólido se le agregó nuevamente 10 mL de NH2OH•HCl 0.04 M y se agitó 30 s en vortex y 15 min a 350 rpm en un agitador orbital. Se centrifugó durante 5 min a 6,000 rpm y nuevamente se filtró la solución. El volumen recuperado se acidificó con 5 gotas de HNO3ultrex II y se aforó a 50 mL. La solución final se manejó como se indica en el proceso de extracción de laFS.
3.6.4. FRACCIÓN ASOCIADA A SULFUROS Y MATERIA ORGÁNICA (FS MO)
Una vez más se usó el tubo para centrífuga con el residuo sólido de laFO Fe-Mnpara extraer losMPMPTasociados a esta fase. Inicialmente, se agregó un volumen de 3 mL de una solución diluida de HNO30.02 M + 5 mL de H2O2al 30%. Posteriormente, la mezcla se llevó a agitación por 30 s en vortex. Enseguida, la mezcla fue transferida a un vaso de precipitado de 250 mL. Adicionalmente, con la finalidad de arrastrar residuos de la pared del tubo para centrífuga, se utilizó la cantidad mínima posible de solución de HNO3+ H2O2en la misma proporción empleada inicialmente y se depositó en el vaso de precipitado de 250 mL. Una gota de HNO3ultrex II fue usada para ajustar el pH a 2. El vaso se cubrió con una película de parafilm y se llevó a calentamiento durante 2 h en una plancha térmica a ~85 °C.
Durante el calentamiento el vaso de precipitado se agitó a intervalos de 20 min. Se dejó enfriar y se adicionaron 3 mL de H2O2al 30%. Nuevamente, el contenido del vaso se ajustó a pH 2 y se sometió a calentamiento de ~85 °C durante 3 h, con agitación a intervalos de 15 min. Se dejó enfriar y se depositó el contenido del vaso en el mismo tubo de centrífuga que se había estado usando. Con la finalidad de arrastrar residuos del vaso de precipitado, empleando 12 mL de agua desionizada, se dio un lavado al vaso de precipitado y este volumen fue incorporado al tubo de centrífuga. Después, 5 mL de CH3COONH43.2 M (acetato de amonio) en 20% (v/v) de HNO3fueron agregados al tubo de centrífuga y se llevó a agitación durante 30 min a 350 rpm en un agitador orbital. Al finalizar el periodo en agitación se centrifugó durante 30 min a 6,000 rpm. El sobrenadante obtenido fue filtrado empleando papel filtro Whatman No. 42 y fue recuperado en un matraz volumétrico de 50 mL.
Posteriormente, el sedimento del tubo fue homogenizado con 10 mL de H2O desionizada más 3 gotas de HNO3ultrex II y se agitó durante 30 s en vortex. Nuevamente, el tubo fue agitado durante 5 min a 350 rpm empleando un agitador orbital. Se centrifugó durante 20 min a 6,000 rpm y se filtró en el mismo papel filtro empleado para la recuperación de la primera fracción de sobrenadante. Finalmente, se acidificó la solución con 5 gotas de HNO3ultrex II y se aforó a un volumen final de 50 mL. La solución final se manejó como se indica en el proceso de extracción de laFS.
4. Resultados y discusión
4.1. CARACTERÍSTICAS FISICOQUÍMICAS Y MINERALOGÍA DE LOS LODOS RESIDUALES
In situ, losLRgenerados por laPTARTaxco de Alarcón presentaron un pH de 7.1, un Eh de +7.50 mV, una conductividad eléctrica de 2,350 µS/m y una temperatura de 25.1 °C. Las condiciones encontradas indican un pH cercano a la neutra- lidad con un ambiente ligeramente oxidante. El valor de conductividad eléctrica es muy elevado y podría ser un factor negativo que limite la propuesta de uso deLRcomo mejoradores de la calidad de los suelos agrícolas debido a que este valor podría estar dado por la presencia de iones que afecten la calidad de los suelos agrícolas. Carreto-Moraleset al., (2021) emplearonLRde laPTARTaxco de Alarcón para evaluar el crecimiento de pasto mombaza y observaron que el pasto cultivado enLRmostró mejor rendimiento que pasto cultivado en un suelo composta comercial. A pesar de este estudio, es recomendable realizar un análisis para descartar que el elevado valor de conductividad observado no se deba a la presencia de iones que puedan afectar negativamente la calidad de los suelos agrícolas. Por otro lado, mediante la técnica deDRXse pudo determinar que la mineralogía de losLRes simple y reducida en número de fases (Figura 1).
Figura 1 Difractograma de lodos residuales de la planta de tratamiento de agua residual de Taxco de Alarcón, Gro.
En general, de acuerdo con el análisis realizado medianteDRX, cuatro fases minerales fueron identificadas en losLRprovenientes de laPTAR“Taxco de Alarcón, Guerrero”: oligoclasa ((Na, Ca)(Si, Al)4O8), muscovita (KAl2(AlSi3O10)(OH)2), cuarzo (SiO2) y calcita (CaCO3). Oligoclasa es la fase mineral predominante (46.6%), enseguida muscovita y cuarzo con 26.1 y 21.1%, respectivamente, mientras que calcita fue la fase mineral encontrada en menor proporción con solo 4.3% (Figura 1). De las cuatro fases minerales identificadas, tres de ellas son parte del grupo de los silicatos. En suma, representan un porcentaje superior al 95% de la composición relativa de losLR. Por otro lado, oligoclasa y muscovita presentan en su composición química Al, un elemento clasificado comoMPMPT. Además, la concentración relativa de estos dos minerales representaca. de 3/4 partes de la composición de losLR.
4.2. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS LODOS RESIDUALES MEDIANTE MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO ACOPLADO A ESPECTROSCOPÍA DE DISPERSIÓN DE ENERGÍA DE RAYOS X
La Tabla 1 muestra los elementos identificados medianteSEM-EDSen losLR. Estos elementos fueron Al, Ca, Cu, Fe, K, Na, Mg, Mn, O, P, S, Si, Ti y Zn de los cuales Al, Cu, Fe, Mn, Ti y Zn forman parte del grupo de losMPMPT(Mathuriya y Yakhmi, 2014). Por otro lado, la presencia y concentración relativa de O, Si y Ca coincide con los análisis deDRXdonde silicatos y carbonatos son los dos grupos predominantes identificados (Figura 1). Sin embargo, existen otros elementos que pueden conducir a la formación de otros minerales que no fueron identificados medianteDRX. Además, se logró identificar la presencia de P y S, elementos considerados como esenciales para el crecimiento de las plantas de acuerdo con Campos Medinaet al. (2009). Por otro lado, la Tabla 1 presenta una elevada concentración relativa de Al. Un valor esperado de acuerdo con los resultados obtenidos medianteDRX. Además, este resultado guarda relación con un análisis realizado por Sánchez-Montoyaet al. (2019) sobre la calidad del agua potable en el municipio de Taxco de Alarcón, Gro. En este estudio se encontró que la concentración de Al presente (2.680 mg/L) en el agua potable que se distribuye en el municipio rebasa el valor establecido por la NOM-127-SSA1-1994 (0.20 mg/L) hasta por 13 veces. En función de estos resultados, se puede atribuir que el agua potable es una de las fuentes más importantes de Al para losLRgenerados por laPTARde Taxco de Alarcón, Gro. El agua potable es usada y convertida en el agua residual por los habitantes del municipio y posteriormente enviada a laPTARpara ser tratada. La elevada concentración de Al en el agua potable y en losLRpodría atribuirse al proceso de tratamiento que se lleva a cabo en la planta potabilizadora de agua donde emplean Al2(SO4)3como reactivo floculante. Por otro lado, Ca, O, P y Si, respectivamente, son los otros elementos que parecen estar en mayor concentración con respecto a los demás elementos identificados (Tabla 1). Además, la presencia de estos elementos en losLRno representa un riesgo de contaminación. En la Tabla 1 se puede observar la composición relativa como cationes de los elementos químicos encontrados en la muestra y los posibles óxidos formados por los elementos presentes. Campos Medinaet al. (2009) realizó un estudio similar a esta investigación donde se emplearonLRreferidos como biosólidos generados por laPTARde la ciudad de Toluca, en el Edo. de México. Sin embargo, su metodología no contempló la realización deDRXy sus resultados fueron obtenidos principalmente a través de un estudio deSEM-EDS. Sus resultados mostraron una abundancia relativa deCa.
Tabla 1 Composición relativa de elementos químicos como cationes y como óxidos en los lodos residuales.
| Elemento | Masa normalizada (%) | Óxidos | Sto. Norm. (%) |
|---|---|---|---|
| Silicio | 21.01 | SiO2 | 44.95 |
| Aluminio | 9.49 | Al2O3 | 17.93 |
| Calcio | 6.91 | CaO | 9.67 |
| Hierro | 5.86 | FeO | 7.54 |
| Fósforo | 2.56 | P2O5 | 5.87 |
| Potasio | 2.59 | K2O | 3.12 |
| Azufre | 1.19 | SO3 | 2.97 |
| Magnesio | 1.31 | MgO | 2.17 |
| Sodio | 1.53 | Na2O | 2.06 |
| Titanio | 0.70 | TiO2 | 1.17 |
| Zinc | 0.94 | ZnO | 1.16 |
| Manganeso | 0.60 | MnO | 0.78 |
| Cobre | 0.61 | NDa | NAb |
| Oxígeno | 44.70 | NA | NA |
a No detectado; b No aplica.
Sin embargo, su abundancia se atribuye a que estosLRfueron previamente sometidos a un proceso de estabilización alcalina empleando Ca(OH)2. Otros elementos identificados en losLRde esa región fueron Al, Fe, K, Mg, Mn, Na, P y Si, elementos que fueron identificados en losLRgenerados por laPTARTaxco de Alarcón. Sin embargo,SEM-EDSyDRXson técnicas que no permiten cuantificar la concentración de cada elemento identificado.
4.3. METALES PESADOS Y METALOIDES POTENCIALMENTE TÓXICOS IDENTIFICADOS EN LOS LODOS RESIDUALES MEDIANTE ESPECTROSCOPÍA DE EMISIÓN ATÓMICA POR PLASMA ACOPLADO INDUCTIVAMENTE
4.3.1. CONCENTRACIÓN TOTAL DE METALES PESADOS Y METALOIDES POTENCIALMENTE TÓXICOS PRESENTES EN LOS LODOS RESIDUALES
Para lograr solubilizar completamente losLRfue necesario aplicar varios ciclos con ácidos fuertes y temperaturas elevadas como se describe en la sección de metodología. Esto se debe esencialmente a la composición mineralógica de losLR, principalmente silicatos (Figura 1). Una vez que se solubilizaron losLR, se analizaron medianteICP-AESmostrando una mayor diversidad que losMPMPTidentificados medianteDRXySEM-EDS. Además, se logró determinar con exactitud la concentración de cadaMPMPTdetectado (Tabla 2).
Tabla 2 Metales pesados y metaloides potencialmente tóxicos identificados y cuantificados en los lodos residuales de la planta de tratamiento de agua residual Taxco de Alarcón, Gro., a partir de una digestión total.
| MPMPTa identificados en los LRb | Concentración (mg/kg) |
|---|---|
| Ba | 443±16 |
| Ca | 24,102±950 |
| Cd | 50±2 |
| Co | 9±0.4 |
| Cr | 38±2 |
| Cu | 752±27 |
| K | 12,088±566 |
| Mg | 5,561±197 |
| Mn | 1,826±69 |
| Ni | 190±6 |
| Pb | 153±4 |
| Sr | 159±7 |
| V | 50±2 |
| Zn | 3,134±105 |
| Fe | 19,384±832 |
| Al | 43,781±1,457 |
| As | 51±2 |
a Metales pesados y metaloides potencialmente tóxicos; b Lodos residuales. Los datos de concentración se presentan como la media ± error estándar; n = 3.
Los datos obtenidos permiten generar dos grupos deMPMPT. El primer grupo se caracteriza por presentar concentraciones elevadas del orden de g/kg. Entre ellos se encuentra el Al, Ca, Fe, K, Mg, Zn y Mn con concentraciones de 44, 24, 19, 12, 6, 3 y 2 g/kg deLR, respectivamente. En el segundo grupo, losMPMPTpresentan concentraciones relativamente bajas, del orden de mg/kg. Entre ellos se encuentran el Cu, Ba, Ni, Sr, Pb, Cd, V, Cr, As y Co (Tabla 2). Como primera aproximación, el análisis de la concentración total obtenida a partir de laDTde losLRayuda a estimar el potencial de contaminación porMPMPThacia el ambiente por parte de losLRde laPTARTaxco de Alarcón, Gro.
4.3.2. ANÁLISIS DE LOS METALES PESADOS Y METALOIDES POTENCIALMENTE TÓXICOS ENCONTRADOS EN LOS LODOS RESIDUALES RESPECTO A LA NOM-004-SEMARNAT-2002
Siete de los ochoMPMPTconsiderados por la norma fueron analizados e identificados en losLRgenerados por laPTARTaxco de Alarcón. En el caso del Hg (elemento no analizado en este trabajo), no se han encontrado antecedentes que demuestren la presencia de este metal en la zona de estudio. Además, el análisis mineralógico medianteDRXy químico medianteSEM-EDStampoco presentaron indicios de la presencia de metal. Por esta razón, en función de la presencia de losMPMPTanalizados, la concentración determinada para cada uno de ellos y los valores establecidos por la norma, se realizó un análisis para determinar el potencial de riesgo hacia el medioambiente.
En la Tabla 3 se muestran las concentraciones determinadas de losMPMPTanalizados y considerados por la norma encontrados en losLRde laPTAR“Taxco de Alarcón, Gro.”. Los valores se comparan contra los límites máximos permisibles establecidos en materia de disposición deLRy/o biosólidos por la NOM-004-SEMARNAT-2002 (SEMARNAT, 2003). Esta norma clasifica a losLRen excelentes o buenos de acuerdo con la presencia y concentración deMPMPT. LosLRclasificados como excelentes son aquellos lodos que manejan una concentración menor que la concentración definida para lodos como de buena calidad. En este trabajo, se observa que los elementos considerados por la NOM-004-SEMARNAT-2002, analizados y cuantificados en losLRgenerados por laPTARTaxco de Alarcón Gro., se encuentran por debajo de los valores máximos permisibles para poder considerar a los lodos como de buena calidad. Es decir, losLRgenerados por laPTARson considerados lodos de “buena calidad” (Figura 2a). Solamente la concentración de As, Cd y Zn supera los valores máximos contemplados por la norma para clasificarlos como lodos de excelente calidad (Figura 2b). En el caso del As y Cd exceden por un 25 y 29%, respectivamente, mientras que el Zn excede solo por un 12%.
Tabla 3 Análisis de la calidad de los lodos residuales de la PTAR “Taxco de Alarcón, Gro.” en función del contenido de metales pesados y metaloides potencialmente tóxicos analizados.
| MPMPTa | Concentración en LRb (mg/kg) | Límites máximos establecidos por la NOM-004-SEMARNAT- 2002 (mg/kg) |
LE-USEPAc 503 (mg/kg) | LE-CEC d (mg/kg) | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ECe | BCf | LGg | EC | pH <7 | pH >7 | ||
| As | 51 ± 2 | 41 | 75 | 75 | 41 | NCNh | NCN |
| Cd | 50 ± 2 | 39 | 85 | 85 | 39 | 20 | 40 |
| Cr | 38 ± 2 | 1,200 | 3,000 | NCN | NCN | 1,000 | 1,500 |
| Cu | 752 ± 27 | 1,500 | 4,300 | 4,300 | 1,500 | 1,000 | 1,750 |
| Pb | 153 ± 4 | 300 | 840 | 840 | 300 | 750 | 1,200 |
| Ni | 190 ± 6 | 420 | 420 | 420 | 420 | 300 | 400 |
| Zn | 3,134 ± 105 | 2,800 | 7,500 | 7,500 | 2,800 | 2,500 | 4,000 |
a Metales pesados y metaloides potencialmente tóxicos; b Lodos residuales; c Límites establecidos por United States Environmental Protection Agency; d Límites establecidos por Council of the European Communities; e Excelente calidad; f Buena calidad; g Límite general; h No considerado por la norma. Los datos de concentración son presentados como la media ± error estándar; n = 3.
Figura 2 Análisis de la concentración de los metales pesados y metaloides potencialmente tóxicos encontrados en los lodos residuales generados por la planta de tratamiento de agua residual Taxco de Alarcón y su comparación con los valores límite establecidos por la NOM-004-SEMARNAT-2002 para clasificarlos como: a) lodos de buena calidad o b) lodos de excelente calidad. Las barras verticales indican el error estándar; n=3.
Adicionalmente, se realizó un análisis de los valores determinados en losLRanalizados contra dos regulaciones internacionales (Tabla 3): laUnited States Environmental Protection Agency(USEPA, 1995) yCouncil of the European Communities(CEC, 1986). Se observó que los valores del límite de concentración paraMPMPTconsiderados por la NOM-004-SEMARNAT-2002 son iguales a los valores establecidos por laUSEPA503, con excepción del Cr. Este metal no se encuentra considerado por laUSEPA503 como un elemento potencialmente peligroso. Esta regulación internacional también hace una doble clasificación del tipo deLRde acuerdo con su concentración deMPMPT. La primera clasificación es hecha en base a un valor equivalente a lodos de buena calidad en el caso de la norma mexicana (Límite General,LG) y la segunda clasificación es análoga a lodos de excelente calidad (Calidad Excelente,CE) contemplada en la norma oficial mexicana. Con base en lo anterior, losLRanalizados cumplen con laUSEPA503 y entran dentro de los valores de la clasificación de límite general. Por otro lado, la regulación de la comunidad europea es, en general, la regulación más estricta con respecto a las dos legislaciones anteriormente analizadas. Los valores límite que se toleran son valores de concentración más bajos que los valores permitidos por las otras dos legislaciones. Sin embargo, esta regulación no contempla al As. Clasifica a losLRde acuerdo con su valor de pH como alcalinos (pH >7) y ácidos (pH<7), y de acuerdo con la concentración deMPMPTque presenten. LosLRgenerados por laPTARTaxco de Alarcón presentaron un pH de 7.1, por lo que se consideran alcalinos de acuerdo con la comunidad europea. Al tomar como base el pH de losLRpara seleccionar los valores límite que se deben considerar, losLRgenerados por laPTARTaxco de Alarcón no cumplen con los valores establecidos por la comunidad europea debido a que el Cd sobrepasa el límite permisible. Es decir, de acuerdo con la comunidad europea losLRson considerados como peligrosos.
La finalidad de caracterizar y clasificar a losLRes para proponer estrategias de disposición para este tipo de residuos sin que representen un riesgo ambiental. Una de las estrategias propuestas para disposición y/o uso para losLRes como mejorador de las características fisicoquímicas del suelo, es decir, como abono orgánico (Salcedo-Pérezet al., 2007; Campos Medinaet al., 2009; González-Floreset al., 2011; Carreto-Moraleset al., 2021). Sin embargo, previo a su uso, uno de los principales contaminantes que es necesario descartar es la presencia y concentración peligrosa deMPMPTmediante un estudio como el que se presenta en esta investigación y otros parámetros considerados por la NOM-004-SEMARNAT-2002 (SEMARNAT, 2003).
Salcedo-Pérezet al. (2007) analizaron losLRgenerados por unaPTARsanitaria de una empresa dedicada a la manufactura electrónica, ubicada en la zona sur de Guadalajara, Jalisco, México. El análisis de metales pesados mostró concentraciones menores a las reportadas en este estudio y menores a las consideradas por la NOM-004-SEMARNAT-2002. Las concentraciones fueron 0.026, 1.08, 22.16, 383.4, 9.69, 117.22 y 539.9 mg/kg (base seca) de As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb y Zn, respectivamente. Estos valores encontrados, permitieron clasificar a losLRcomo de excelente calidad a diferencia de los lodos analizados en este estudio. Con base en el estudio realizado, propusieron disponer de losLRempleándolos como abono orgánico y evaluaron el uso de losLRde estaPTARcomo abono orgánico en suelos volcánicos con la finalidad de mejorar la producción agrícola y forestal. El uso de losLRcomo abono orgánico incrementó significativamente la producción de maíz y forraje en un 18 y 22%, respectivamente, comparado con una fertilización química analizada dentro del mismo estudio.
Por otro lado, la diferencia encontrada en los resultados entre losLRde laPTARen Guadalajara, contra losLRgenerados por laPTARTaxco de Alarcón, puede atribuirse a una posible influencia por la actividad minera, específicamente actividades de orfebrería. Sin embargo, la presencia y concentración total deMPMPTno es concluyente para determinar si existe riesgo potencial de liberación o movilidad de estos elementos hacia los ecosistemas. Para determinar si existe la posibilidad de efectos negativos hacia el ambiente, es necesario determinar el grado de geodisponibilidad (Martínez-Alvaet al., 2020).
4.3.3. GEODISPONIBILIDAD DE LOS METALES PESADOS Y METALOIDES POTENCIALMENTE TÓXICOS ENCONTRADOS EN LOS LODOS RESIDUALES GENERADOS POR LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL DE TAXCO DE ALARCÓN
Una serie de tratamientos fisicoquímicos y térmicos usando agua desionizada, ácidos débiles y ácidos fuertes como HCl, HNO3, HF y HClO4permitió simular diferentes condiciones ambientales para losMPMPTpresentes en losLR. A través de estos tratamientos, se determinó la movilidad de los diferentesMPMPTpresentes en losLRen función de su grado de solubilidad. Es decir, se estimó la concentración deMPMPTpresentes en losLRque se podrían liberar al ambiente hacia agua y/o suelo o la cadena trófica (Tessieret al., 1979; López Julián y Mandado Collado, 2002; González-Floreset al., 2011). En este estudio, se pudo observar que la concentración total de losMPMPTidentificados a partir de laDTen losLRestudiados se encuentra distribuida en las diferentes fracciones analizadas:FR,FS MO,FO Fe-Mn,FCy laFI.
Metales pesados y metaloides potencialmente tóxicos asociados a la fracción residual. El análisis de las concentraciones deMPMPTasociados a laFRmostró concentraciones bajas comparado con la concentración total deMPMPTdeterminada a partir de laDT(Tabla 4). Esto significa que la diferencia de concentración se encuentra distribuida en las fracciones restantes (Figura 3). En el caso particular del As, Cd y Zn (MPMPTcon valores superiores a los establecidos por la NOM-004-SEMARNAT-2002 para poder clasificar a los lodos como de excelente calidad), el % de la concentración asociada a laFRes de 0.20, 0.12 y 1.03% para As, Cd y Zn, respectivamente. Es decir, representan concentraciones muy bajas asociadas a laFR. Por otro lado, otrosMPMPTasociados a esta fracción (de interés por su asociación con problemas de salud) se encontraron en concentraciones elevadas,e.g., Ba, Co, Mg, Sr, V, Fe y Al con 27, 30, 41, 18, 36, 45 y 32%, respectivamente. Sin embargo, la presencia de cualquier elemento asociado a esta fracción es un resultado positivo, debido a que losMPMPTasociados a esta fracción representan el menor potencial de riesgo de liberación y/o movilidad. Su liberación al medio está condicionada por ambientes extremos y poco comunes en la naturaleza (Tessieret al., 1979). En esta fracción, losMPMPTcuantificados se encuentran enlazados a formas químicas muy estables,e.g., silicatos. En el caso de losLRgenerados por laPTARTaxco de Alarcón presentan una mineralogía dondeca.95% corresponde al grupo de los silicatos (Figura 1). Por esta razón, para hacer la extracción de losMPMPTasociados a laFRque se muestran en la Tabla 4 se necesitaron varios ciclos de tratamiento a temperaturas elevadas y empleando ácidos fuertes.
Tabla 4 Distribución de la concentración de los metales pesados y metaloides potencialmente tóxicos en las diferentes fracciones analizadas mediante extracción química secuencial.
| Elemento | DTa | FRb | FS MOc | FO Fe-Mnd | FC+FIe | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Concentración | ||||||||||
| (mg/kg) | (%) | (mg/kg) | (%) | (mg/kg) | (%) | (mg/kg) | (%) | (mg/kg) | (%) | |
| Ba | 443±16 | 100 | 119±27 | 27 | 89±7 | 20 | 2±0.02 | 0.43 | 234 | 53 |
| Ca | 24,102±950 | 100 | 3,802±669 | 16 | 2,187±426 | 9 | 3,928±196 | 16 | 14,185 | 59 |
| Cd | 50±2 | 100 | 0.06±0.01 | 0.12 | 7±1 | 14 | 10±1 | 19 | 34 | 67 |
| Co | 9±0.4 | 100 | 3±1 | 30 | 2±1 | 21 | 1±0.3 | 10 | 4 | 39 |
| Cr | 38±2 | 100 | 10±2 | 25 | 8±1 | 21 | 0.40±0.03 | 1 | 20 | 52 |
| Cu | 752±27 | 100 | 17±3 | 2 | 392±68 | 52 | 8±1 | 1 | 335 | 45 |
| K | 12,088±566 | 100 | 7,345±1,467 | 61 | 211±39 | 2 | 84±5 | 0.7 | 4,448 | 37 |
| Mg | 5,561±197 | 100 | 2,284±475 | 41 | 670±197 | 12 | 162±5 | 3 | 2,446 | 44 |
| Mn | 1,826±69 | 100 | 36±8 | 2 | 181±33 | 10 | 466±23 | 26 | 1,143 | 63 |
| Ni | 190±6 | 100 | 4±1 | 2 | 53±11 | 28 | 32±3 | 17 | 101 | 53 |
| Pb | 153±4 | 100 | 6±3 | 4 | 65±9 | 43 | 0.27±0.1 | 0.18 | 81 | 53 |
| Sr | 159±7 | 100 | 29±6 | 18 | 21±4 | 13 | 13±1 | 8 | 96 | 60 |
| V | 50±2 | 100 | 18±3 | 36 | 4±1 | 7 | 0.42±0.1 | 1 | 28 | 56 |
| Zn | 3,134±105 | 100 | 32±9 | 1 | 688±118 | 22 | 691±24 | 22 | 1,723 | 55 |
| Fe | 19,384±832 | 100 | 8,679±1,654 | 45 | 6,248±1,176 | 32 | 128±52 | 1 | 4,321 | 22 |
| Al | 43,781±1,457 | 100 | 14,019±2,747 | 32 | 1,439±385 | 3 | 9±1 | 0.02 | 28,315 | 65 |
| As | 51±2 | 100 | 0.10±0.01 | 0.20 | 8±2 | 15 | 10±1 | 19 | 34 | 67 |
a Digestión total; b Fracción residual; c Fracción asociada a sulfuros y materia orgánica; d Fracción asociada a oxihidróxidos de Fe-Mn; e Sumatoria de la fracción asociada a carbonatos e intercambiable. Los datos de concentración total, fracción residual, fracción asociada a sulfuros y materia orgánica y fracción asociada a oxihidróxidos de Fe y Mn son presentados como la media ± error estándar; n = 3.
Figura 3 Distribución porcentual de la concentración total en las diferentes fracciones estudiadas en: a) todos los metales pesados y metaloides potencialmente tóxicos identificados en los lodos residuales y b) los metales pesados y metaloides considerados por la NOM-004-SEMARNAT-2002. FC+FI representa la suma de las concentraciones porcentuales asociadas a la fracción carbonatos con intercambiable; FO Fe-Mn representa la concentración porcentual asociada a la fracción asociada a oxihidróxidos de Fe y Mn; FS MO representa la concentración porcentual asociada a la fracción de sulfuros y materia orgánica y FR representa la concentración porcentual asociada a la fracción residual.
Metales pesados y metaloides potencialmente tóxicos asociados a la fracción de sulfuros y materia orgánica. En la Tabla 4, se muestra la concentración de losMPMPTasociada a laFS MO. Comparado con la concentración deMPMPTencontrados en laFR, la concentración deMPMPTasociados a laFS MOfue mayor (Figura 3). Sin embargo, aún es una concentración baja comparada con la concentración total determinada a partir de laDT. Nuevamente, al hacer un análisis de losMPMPTde interés por la NOM-004-SEMARNAT-2002 que sobrepasan los límites para clasificar a losLRcomo de excelente calidad, se encontró que la concentración asociada a esta fracción es del orden del 15, 14 y 22%, para As, Cd y Zn, respectivamente. Por otro lado, Ba, Cr, Cu, Pb, Fe, Co y Ni presentaron una asociación importante en esta fracción 20, 21, 52, 43, 32, 21 y 28%, respectivamente. La elevada concentración de Cu en esta fracción (392 mg/kg) se debe a la elevada afinidad que tiene este elemento con la materia orgánica (Han y Thompson, 1999; Zhou y Wong, 2001; Azevedoet al., 2003). Además, el Pb, un elemento considerado altamente peligroso para la salud, se encuentra asociado a esta fracciónca.50% de la concentración total. A pesar de que en laDTse encontró que el valor del Pb no supera los valores establecidos por la norma, es importante hacer notar que este elemento presente en losLRse encuentra principalmente asociado a laFS MO. Similar a laFR, losMPMPTpresentan un elevado grado de estabilidad en condiciones normales,i.e., su grado de geodisponibilidad es bajo. En esta fracción, losMPMPTcuantificados se encuentran enlazados a especies químicas de sulfuros y materia orgánica. Su liberación al medio requiere condiciones o agentes oxidantes extremos,e.g., peróxido de hidrógeno.
Metales pesados y metaloides potencialmente tóxicos asociados a la fracción de oxihidróxidos de Fe - Mn. En la Tabla 4 se muestra la concentración de losMPMPTasociados a laFO Fe-Mn. En general, la concentración de losMPMPTasociados a esta fracción fue baja (Figura 3). En el caso del As, Cd y Zn (MPMPTque exceden los límites máximos permisibles establecidos por la norma para clasificar a losLRcomo de excelente calidad), se observa un patrón de aumento en la concentración hacia las fracciones que se consideran de mayor geodisponibilidad. El porcentaje de concentración asociado a laFO Fe-Mnpara As, Cd y Zn fue de 19, 19 y 22%, respectivamente. El porcentaje de concentración acumulado para estos tres elementos tóxicos considerados por la norma dentro de las fracciones más estables (FR,FS MOyFO Fe-Mn) es de 34, 33 y 45% para As, Cd y Zn, respectivamente. El resto de la concentración de estosMPMPTse ubica dentro de las fracciones que representan un mayor riesgo ambiental por su potencial de movilidad: laFCy laFI. Sin embargo, a pesar de que la concentración acumulada en las fracciones químicas más estables representa un riesgo ambiental bajo, esta concentración es parte de la concentración total considerada por la NOM-004-SEMARNAT-2002 para establecer una clasificación del tipo de calidad de losLR. Considerar la suma de la concentración asociada a fracciones que representan un grado de estabilidad elevado o un bajo potencial de geodisponibilidad como parte de la concentración total establecida en la NOM-004-SEMARNAT-2002 puede marcar la diferencia entre clasificar a losLRcomo de buena o excelente calidad. El potencial de geodisponibilidad de la concentración de losMPMPTasociados a laFO Fe-Mn, se representa de la siguiente manera:FO Fe-Mn>FS MO>FR. Es decir, losMPMPTasociados a la fracciónFO Fe-Mn, presenta un menor grado de estabilidad en comparación con losMPMPTasociados a laFS MOyFR.
Metales pesados y metaloides potencialmente tóxicos asociados a la fracción asociada a carbonatos e intercambiable (fracción soluble y adsorbida). En este estudio, se encontró que la mayor concentración de la mayoría de losMPMPTse encuentra asociada a laFC+FI, con excepción del Cu y Fe (Figura 3). La mayor concentración del Cu y Fe se encuentra asociada a laFS MOyFR, respectivamente (Tabla 4). Para As, Cd y Zn (elementos que exceden la concentración total establecida en la NOM-004-SEMARNAT-2002 y no permite clasificar a losLRcomo de excelente calidad) se encontraron concentraciones asociadas a lasFC+FIde 34, 34 y 1,723 mg/kg deLR, respectivamente. Sin embargo, a pesar de que la mayor concentración de la mayoría de losMPMPTse encuentra asociados a laFC+FI, si la NOM-004-SEMARNAT-2002 considerara la concentración de estas fracciones en lugar de la concentración total, las concentraciones de losMPMPTcuantificados en losLRgenerados por laPTARTaxco de Alarcón permitiría clasificarlos comoLRde excelente calidad (Tabla 5).
Tabla 5 Comparación de la concentración de los metales pesados y metaloides potencialmente tóxicos analizados y asociados a mayor grado de geodisponibilidad presentes en los lodos residuales de la PTAR “Taxco de Alarcón, Gro.” contra los valores establecidos por la NOM-004-SEMARNAT-2002.
| MPMPTa | Concentración geodisponible en los LRb(mg/kg) | Límites máximos establecidos por la NOM-004-SEMARNAT-2002 (mg/kg) | |
|---|---|---|---|
| LR de excelente calidad | LR de buena calidad | ||
| As | 34 | 41 | 75 |
| Cd | 34 | 39 | 85 |
| Cr | 20 | 1,200 | 3,000 |
| Cu | 335 | 1,500 | 4,300 |
| Pb | 81 | 300 | 840 |
| Ni | 101 | 420 | 420 |
| Zn | 1,723 | 2,800 | 7,500 |
a Metales pesados y metaloides potencialmente tóxicos; bLodos residuales
Este análisis se realiza tomando en consideración que laFC+FIson las fracciones que representan el mayor potencial de geodisponibilidad o movilidad. La concentración total deMPMPTdeterminada a partir de unaDTno refleja el potencial de movilidad hacia fases solubles. Se podrían encontrar muestras problema donde a partir de unaEQSse demuestre que la concentración total sea igual o similar a la concentración de fracciones con bajo potencial de geodisponibilidad,e.g., laFR. Sin embargo, la muestra no cumpliría con la NOM-004-SEMARNAT-2002 a pesar de que losMPMPTasociados a laFRno representan desde el punto de vista geoquímico ningún riesgo medioambiental. Esta propuesta de análisis, que toma en cuenta las fracciones de mayor grado de geodisponibilidad para clasificar a losLRen la NOM-004-SEMARNAT-2002, se fundamenta en que losMPMPTasociados a laFCyFIrepresentan en conjunto el mayor potencial de riesgo de movilidad hacia el ambiente y de mayor interés para la sociedad (Tessieret al., 1979; López Julián y Mandado Collado, 2002; González-Floreset al., 2011).
La presencia deMPMPTen elevadas concentraciones en lasFCyFItienen mayor probabilidad de ser dispersados hacia las diferentes matrices: agua, suelo y cadena trófica. LosMPMPTasociados a laFCyFIno necesitan de condiciones medioambientales extremas para su movilidad. La condición fisicoquímica “extrema” para favorecer la dispersión de losMPMPThacia una fase acuosa en estas fracciones solo requiere un ligero cambio de pH (6.5-7.5). Este ligero cambio puede ser ocasionado por un fenómeno de lluvia ácida (Krauskopf y Bird, 2003). Otros elementos que presentaron una concentración mayor al 50% asociada a laFC+FIson Ba, Ca, Sr, V y Al, de los cuales Ba, Sr, V y Al no están considerados por la norma, sin embargo, representan un riesgo ambiental por estar presentes en estas fracciones (Tabla 4).
5. Conclusión
El análisis mineralógico realizado medianteDRXa losLRgenerados por laPTARTaxco de Alarcón, Gro., mostró un elevado porcentaje (95%) de minerales pertenecientes al grupo de los silicatos (oligoclasa, muscovita y cuarzo). Por otro lado, mediante laDTyEQSse logró identificar y cuantificar la concentración deMPMPTpresentes en losLRde laPTARTaxco de Alarcón: Ba, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, K, Mg, Mn, Ni, Pb, Sr, V, Zn, Fe, Al y As. La concentración total determinada para los 7MPMPTanalizados y considerados por la NOM-004-SEMARNAT-2002 (As, Cd, Cr, Cu, Pb, Ni y Zn) permite clasificar a losLRcomo lodos de buena calidad. Esto significa que losLRtienen potencial para ser aprovechados en uso urbano sin contacto público directo durante su aplicación, en usos forestales, mejoramiento de suelos o uso agrícola en la región. Sin embargo, es necesario determinar la “clase” de acuerdo con la NOM-004-SEMARNAT-2002, en la que se ubican losLRpara proponer el tipo de aprovechamiento final al que pueden ser susceptibles. La “clase” es otra clasificación que se establece en función del contenido de coliformes fecales,Salmonella sppy huevos de helmintos (parámetros no evaluados en este estudio). El As, Cd y Zn presentaron concentraciones de 51, 50 y 3,134 mg/kg, respectivamente, concentraciones que no permitieron clasificar a losLRcomo lodos de excelente calidad. Por otro lado, laEQSevidenció que la mayor concentración de losMPMPTanalizados y contemplados por la NOM-004-SEMARNAT-2002, se encuentra asociada a las fracciones consideradas de mayor geodisponibilidad (FC+FA+FS), con excepción del Cu y Fe. Las concentraciones de estos últimos elementos se encuentran asociadas principalmente a las fracciones más estables desde el punto de vista geoquímico,FS MOyFR, respectivamente. Sin embargo, a pesar de que el mayor porcentaje de la concentración total se encuentra asociado a las fracciones de mayor geodisponibilidad (FCyFI), la concentración real asociada a ese porcentaje en el caso del As, Cd y Zn fue de 33, 34 y 1,723 mg/kg deLR, respectivamente.
