Estudios para la Optimización de un proceso de biolixiviación de metales desde sedimentos contaminados del Río Reconquista

NATALIA PORZIONATO; ANA E. TUFO; CURUTCHET, GUSTAVO

San Luis

Congreso; V Congreso Argentina y Ambiente 2023 (AA2023) - 4º Simposio Iberoamericano de Adsorción (IBA-4); 2023

Sociedad Argentina de Ciencia y Tecnología Ambiental

Estudios para la Optimización de un proceso de biolixiviación de metales desde sedimentos contaminados del Río Reconquista N. F. Porzionatoa* , A. E. Tufoa y G. A. CurutchetaaInstituto de Investigación e Ingeniería Ambiental-IIIA, Universidad Nacional de San Martín (UNSAM), CONICET, Campus Miguelete, San Martín 1650, Argentina. nporzionato@gmail.comResumenLa biolixiviación es una tecnología apropiada para la remediación de sedimentos contaminados con metales pesados. Sin embargo, es importante lograr la optimización de las condiciones de operación. Para ello, se requiere de un estudio minucioso de los mecanismos que intervienen en el proceso. En trabajos previos hemos confirmado la actividad de comunidades microbianas nativas generadoras de ácido, tales como las relacionadas con la oxidación de hierro(II) y azufre, en la acidificación necesaria para lixiviar los metales contenidos en el sedimento del Río Reconquista. En el presente trabajo se propone el estudio de la relación existente entre los procesos biocatalizadosimplicados en la movilización de zinc (Zn) desde la matriz en un proceso de biolixiviación en reactor de lecho fijo y los cambios fisicoquímicos y texturales que allí ocurren. En los sistemas estudiados, se encontró que el Zn es movilizado desde la parte superior de la columna hacia la parte inferior mayormente durante la etapa de acidificación y luego en la etapa de lavado ocurre un fenómeno deretención del metal por las partículas de los sedimentos. Los cambios en las características texturales y superficiales de los sedimentos generadas durante el proceso de lixiviación son importantes en el desarrollo del mismo y en las características del producto decontaminado a obtener. Palabras clave: sedimentos contaminados, biolixiviación, biopilas, procesos biocatalizados, zinc.IntroducciónLos procesos aeróbicos biocatalizados de oxidación de S y/o Fe participan en la movilización de metales pesados desde sedimentos contaminados. Allí, los microorganismos nativos, utilizan a los sulfuros metálicos que se encuentran presentes como fuente de energía, favoreciendo la movilización de los metales y posibilitando la acidificación y lixiviación de los mismos, pudiendo dar inicio a un grave impacto ambiental. En estudios anteriores, se ha comprobado la potencialidad de que dichos procesos sean utilizados en un método de biorremediación del sedimento por biolixiviación, con la posibilidad de recuperar metales valiosos1. Si bien estos procesos suceden naturalmente en los sedimentos, los mismos deben ser estudiados en condiciones controladas y optimizados para que sea posible aprovecharlos como estrategia de remediación. Previamente2 , hemos diseñado, confeccionado y desarrollado metodologías de biolixiviación de metales pesados desde sedimentos altamente contaminados del Río Reconquista en reactores de lecho fijo de 2.5 L. Esto permitió estudiar a las comunidades microbianas asociadas a la acidificación del sedimento y, en consecuencia, a la lixiviación demetales. Otros trabajos previos1 , realizados a menores escalas, han demostrado la aparición de cambios estructurales favorables como consecuencia del tratamiento, como la presencia de yeso, un material cementante y facilitador en la formación de grandes agregados y de macroporos con estructuras tipo-suelo que favorecen a la permeabilidad del sedimento y por lo tanto sus posteriores usos. En esta oportunidad, se analizaron los cambios fisicoquímicos resultantes en diferentes etapas del tratamiento, con el objetivo de identificar si existen modificaciones en la textura del sedimento que puedan conducir a una optimización del proceso. Materiales y métodosPreviamente2 hemos descripto en detalle la construcción de columnas de lixiviación en biopilas con sedimentos provenientes de la cuenca media del Río Reconquista (34º34´10.1´´S; 58º39´39.4´´O), en donde se investigo el efecto de la adición de azufre (S) como fuente adicionalde energía y el inoculo bacteriano (mezcla de cepas nativas de Acidithiobacillus ferroxidans y thioxidans). Los sistemas analizados fueron, R1= Control, sedimento sin S ni inóculo; R2= sedimento con 1% de S agregado en superficie y R3= sedimento con 1% de S e inóculoagregado. El tratamiento de lixiviación se dividió en 4 etapas representativas, para la toma de muestra y posterior análisis, siendo (O): Etapa de oxidación, luego de 30 días de exposición al oxígeno ambiental y hasta alcanzar un potencial redox de 250 mV; (A-inicial): Etapa de Acidificación, luego de 80 días de riego periódico (150 mL/4 días), el pH de la superficie de las columnas R2 y R3 comienza a acidificar (4.2), sin embargo la parte más profunda se mantiene cercana a la neutralidad (6.5); (A-final): luego de 280 días de riego periódico, la superficie de la columna alcanza valores ácidos (2.7) tal que los metales son estabilizados en solución; y finalmente (L): Etapa de Lavado, con el objetivo de desplazar el metal solubilizado de la totalidad de la columna de sedimento. En R1, R2 y R3 se analizaron los metales retenidos en lossedimentos y los lixiviados en las etapas del tratamiento, como se describe a continuación: Metales remanentes en sedimentos: Se tomaron muestras de sedimentos de la columna en superficie (0-5 cm) y en profundidad (45-50 cm), en c/una de las etapas del tratamiento (O, Ainicial, A-final y L). Se extrajo secuencialmente Zn, Cu, Cr y Fe (BCR) para analizar los cambios su especiación entre las diferentes etapas y se los cuantificó por Espectroscopia de Absorción Atómica (EAA). Conjuntamente, a estas muestras se analizaron la materia orgánica(calcinación), el tamaño de partícula (Difracción Laser) y el área superficial por BET antes y después de la biolixiviación. Resultados y discusiónLos resultados presentados en trabajos previos2 fueron concluyentes respecto de la generación de ácido biocatalizado por la microbiota nativa de actividad oxidante del S y Fe, específicamente en R2 y R3, en donde se adicionó superficialmente S elemental. La acidificación fue el parámetro de mayor impacto sobre las comunidades microbianas, impulsando cambios importantes en R2 y R3 al tomar valores de pH inferiores a 3. Dichas condiciones favorecieron la lixiviación de metales pesados y principalmente de Zn, el cual presentó mayor movilidad en las condiciones alcanzadas. En R1 no se observaron cambios significativos en la concentración del metal en cuanto a su distribución a lo largo de la columna, dado que la oxidación de sulfuros volátiles no genera acidez2 . En este trabajo se estudió la especiación del Zn en las distintas etapas características del tratamiento (O; A-inicial; A-final; L), tanto en la parte superior e inferior de la columna (Fig. 1).En R2, durante la etapa A-final, el Zn alcanza su mínima concentración en los sedimentos superficiales de la columna (61.7% de extracción), sin embargo en los sedimentos profundos tomados a 45-50 cm de la columna, se obtiene un aumento del contenido total. Esto sugiere queel Zn es movilizado desde la parte superior de la columna y luego al descender por la misma existe un fenómeno de reprecipitación del metal por las partículas de los sedimentos en ambos reactores. Por otro lado, en la etapa L del sistema R2, se observó que el contenido total de Zn la parte superior es similar al obtenido durante la etapa O, por lo tanto ocurrió una nueva retención del metal que había sido solubilizado (el % de Zn extraído se ve disminuido a 28%), posiblemente esto se deba a un efecto de neutralización dado que el agua de lavado estabilizó a un pH cercano a 4. Aquí, la retención del Zn se da principalmente en la fracción bioaccesible, lo cual es consistente con la posibilidad de que se esté adsorbido en arcillas o se asocie a carbonatos. En cuanto a la distribución del metal en la parte inferior de la columna R2, se observó un incremento de la fracción reducible (asociada a óxidos de hierro y manganeso). Figura 1. Extracción secuencial de Zn para distintas etapas del tratamiento: O: Oxidación; A: Acidificación; L: Lavado. (a)Reactor 2; (b) Reactor 3.En R3, durante la etapa A-final, se observó un comportamiento similar a R2 luego de acidificar hasta pH 2.6 donde ocurre una lixiviación del 62% del Zn, lo cual está asociado a la producción de ácido biogenerado a partir del S adicionado. Mientras tanto, el contenido de Zn enla parte inferior no presenta cambios significativos respecto de la etapa O. Posteriormente al lavado con agua desionizada, nuevamente se aprecia la reprecipitación del metal ya solubilizado, dado que el % de Zn lixiviado en superficie disminuye del 62% al 54% del valor inicial. En este caso el valor de Zn retenido en la muestra de sedimento tomada en profundidad supera en un 40% al valor inicial, lo cual podría indicar que ocurrió un cambio en las propiedades texturales del sedimento. Dicho incremento está asociado a la fracción intercambiable (asociada a carbonatos) pero también ocurre en la fracción reducible y residual del metal. Es evidente que el fenómeno de reprecipitación podría estar determinado por los cambios provocados en las características fisicoquímicas de las partículas de los sedimentos ya que es más notorio en R3 respecto de R2. La materia orgánica y el área BET disminuyeron muy levemente luego del tratamiento (de 13 a 10 % y de 26 a 18 m2g-1) en el reactor que no sufrió acidificación mientras que permanecieron prácticamente constantes en los que se acidificaron probablemente por inhibición por ácido de la flora heterótrofa). Por el contrario, el tamaño promedio de partículas se incrementó en los sistemas que generaron acidez (de 26 a 33 micrones) lo cual está de acuerdo con lo observado en trabajos anteriores1.ConclusionesSe ha comprobado que la biolixiviación es efectiva para la remediación de sedimentos contaminados con metales pesados, dado que se ha obtenido hasta el 62% de extracción de Zn de sedimentos contaminados del Río Reconquista. Sin embargo, es importante lograr la optimización de las condiciones de operación, con el fin de lograr el máximo porcentaje de metal extraído respecto al que se encuentre contenido originalmente en la matriz y en el menor tiempo posible. Referencias1-Tufo A., Porzionato N., Curutchet G., Effects of pollution and bioleaching process on the mineral composition and texture of contaminated sediments of the Reconquista River, Argentina. Advances in enviromental biotechnology and engineering (2017).2- Grimolizzi C., Porzionato N., Tufo A., Vázquez S. y Curutchet G., Sedimentos contaminados del Río Reconquista: comunidades microbianas involucradas en un proceso de biorremediación. IV Congreso Nacional de Ciencia y Tecnología Ambiental, Argentina y Ambiente, Bs. As, Argentina 2019.