SISTEMAS DE TRATAMIENTO PARA RESIDUOS LIQUIDOS GENERADOS EN LABORATORIOS DE ANALISIS QUIMICO

Actualmente los residuos líquidos de laboratorios de análisis químicos plantean una problemática que enfrentan distintas entidades públicas y privadas debido al manejo y la gestión integral que requieren. Este artículo revisa las diversas tecnologías de tratamientos y sus eficiencias de remoción, con el fin de establecer criterios para seleccionar el sistema y las variables adecuadas que permitan el cumplimiento de los objetivos de investigación y la sostenibilidad ambiental. La revisión inicia con una contextualización del problema y continúa con el estudio de los tratamientos para los residuos de laboratorio. Estas tecnologías se dividen en dos corrientes: tratamientos biológicos y fisicoquímicos, los cuales a su vez comprenden una gran variedad de procesos, algunos de los cuales se consideran en esta revisión.

Sistemas de tratamiento para residuos líquidos generados en laboratorios de análisis químico

Treatment systems for liquid wastes generated in chemical analysis laboratories

Linda Berrio¹
Oscar Beltrán¹
Edison Agudelo²
Santiago Cardona³

1. B.Sc. Ingeniería Química, Investigador, Escuela de Procesos y Energía liberriog@unal.edu.co odbeltranp@unal.edu.co

2. B.Sc. Ingeniería Química, M.Sc. Medio Ambiente y Desarrollo, Investigador, Escuela de Geociencias y Medio Ambiente, Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín eagudelo@unal.edu.co

3. PhD. Msc Ingeniería Ambiental, Profesor Asociado, Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín. scardona@unal.edu.co

Recibido para evaluación: 12 de Octubre de 2011
Aceptación: 05 de Noviembre de 2012
Recibido versión final: 28 de Noviembre de 2012

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RESUMEN

Palabras Claves: sistemas de tratamiento, residuos químicos líquidos, laboratorios, tratamientos biológicos y fisicoquímicos, desechos peligrosos.

ABSTRACT

Nowadays, handling of liquid wastes from chemical analysis laboratories is posing problems to different public and private organizations because of its requirements of an integrated management. This article reviews various treatment technologies and its removal efficiencies in order to establish criteria for selecting the system and the appropriate variables to achieve research objectives as well as environmental sustainability. Review begins with a description of the problem and continues with the study of treatments for laboratory wastes. These technologies are segregated into physicochemical and biological treatments that comprise a variety of processes, some of which are considered in this review.

Key Words: Treatment systems, chemical liquid wastes, laboratories, biological and physico-chemical treatments, hazardous wastes.

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1. INTRODUCCIÓN

En los laboratorios de análisis químicos se manejan gran cantidad de productos y se llevan a cabo diversas operaciones, ya sea por propósitos educativos, de investigación, consultoría o industriales, que conllevan la generación de residuos químicos líquidos. Estos residuos son variados y altamente complejos, debido a la matriz compleja que forman; por lo tanto, presentan mayor dificultad a la hora de tratarlos, en comparación con los residuos líquidos industriales o las aguas residuales domesticas, debido a la dificultad para identificar sus constituyentes (Lou, 2007). Esta limitación es producto de los altos costos derivados de la diversidad y complejidad de los métodos de análisis que se requerirían para hacerlo (Li, 1999).

El control, tratamiento y eliminación de los residuos generados propicia adecuadas condiciones de trabajo, por lo que su gestión es un aspecto imprescindible en la organización de todo laboratorio (Gadea,1991). El tipo de tratamiento y gestión de los residuos depende, entre otros factores, de las características y peligrosidad de los mismos, así como de la posibilidad de recuperación, de reutilización o de reciclado, que para ciertos productos resulta recomendable (Stanford University, 1998). Sin embargo, como se mencionó, los residuos pueden tener características muy diferentes y producirse en cantidades variables, aspectos que inciden directamente en la elección del procedimiento para su eliminación. De igual forma, inciden la facilidad de neutralización, la posibilidad de recuperación y reciclado, el costo del tratamiento y de otras alternativas (University of Wollongong, School of Chemistry, 2009).

Por las características presentadas, se debe llevar a cabo una segregación en la fuente teniendo en cuenta:

• Residuos No Peligrosos. Son aquellos producidos por el generador en cualquier lugar y en desarrollo de su actividad, que no presentan riesgo para la salud humana y/o el medio ambiente.

• Residuos Peligrosos. Son aquellos residuos producidos por el generador con alguna de las siguientes características: infecciosos, combustibles, inflamables, explosivos, reactivos, radiactivos, volátiles, corrosivos y/o tóxicos; los cuales pueden causar daño a la salud humana y/o al medio ambiente.

• Residuos Químicos. Son los restos de sustancias químicas y sus empaques o cualquier otro residuo contaminado con estos, los cuales, dependiendo de su concentración y tiempo de exposición tienen el potencial para causar la muerte, lesiones graves o efectos adversos a la salud y el medio ambiente (Dirección de Laboratorios, 2007; Stanford University, 1998).

A su vez, los residuos químicos líquidos presentan una clasificación de diversos grupos.

• Fármacos parcialmente consumidos, vencidos y/o deteriorados.

• Residuos de Citotóxicos.

• Metales pesados.

• Reactivos.

• Contenedores presurizados.

• Aceites Usados.

• Residuos Radioactivos.

La gestión de residuos debe tener en cuenta las exigencias de la normativa existente a escala local, estatal y mundial, y contemplar la gestión diferenciada de aquellos residuos que tienen una legislación específica, como los radiactivos, biológicos y cancerígenos (Dirección de Laboratorios, 2007). A nivel Mundial, las reglamentaciones dadas por la Organización de las Naciones Unidas (ONU), tales como el Convenio de Estocolmo y la Convención de Basilea, son las aplicadas en forma más general; en Colombia se pueden destacar la NTC 1692, Ley 1252 de 2008 y los decretos 2676 del 2000, 4126 del 2005 y 838 del 2000 ((Dirección de Laboratorios, 2007).

Los procedimientos para la eliminación de los residuos son varios y el que se apliquen unos u otros, depende de los factores citados anteriormente; no obstante los más utilizados son:

• Vertido. Recomendable para residuos peligrosos y no peligrosos, una vez reducidos mediante neutralización o tratamiento adecuado.

• Incineración. Los residuos son quemados y reducidos a cenizas. Es un método muy utilizado para eliminar desechos de tipo orgánico y biológico.

• Recuperación. Consiste en efectuar un tratamiento al residuo que permita recuperar algún o algunos elementos, por ejemplo los metales pesados.

• Reutilización-Reciclado (Stanford University, 1998; University of Wollongong, School of Chemistry, 2009).

Al día de hoy, en Colombia se está llevando un proceso de construcción de planes de gestión integral de residuos para las entidades generadoras, y se observa que gran parte de ellas optan por la incineración, como la Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín (Dirección de Laboratorios, 2007), la Universidad de Antioquia (López, 2008) y Laboratorios FUNAT¹. Otras contratan agentes externos para la disposición final del total de sus residuos, como la Universidad Pedagógica Nacional (Universidad Pedagogica Nacional, 2009). En cambio, por ejemplo la Universidad del Norte (Arias, 2009) se encuentran implementando actividades que implican un manejo eficiente de materiales con el fin de minimizar la cantidad de residuos finales. La Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín (Dirección de Laboratorios, 2007), además de la incineración, posee un acompañamiento de grupos de investigación para realizar un doble-encapsulamiento para algunos desechos, por ejemplo los reactivos vencidos y/o para residuos que no posean métodos disponibles alternativos en la región. Finalmente, otras entidades realizan una reducción y precipitación convencional de metales pesados (Mañunga, 2010).

Esta última es una tecnología convencional para el tratamiento de metales pesados en solución. Las precipitaciones con hidróxidos, carbonatos y sulfuros son las más comunes. Los lodos generados por la precipitación química tienen una estructura flexible, precipita lentamente, presenta dificultad a la filtración y se disuelve fácilmente en ácido. Por tanto, debe ser solidificado antes de ser depositado en un vertedero. Sin embargo, la solidificación aumenta el tamaño del lodo y así, este proceso es inútil en las zonas donde los rellenos sanitarios son escasos (Lou, 2007).

Por estas razones, a nivel mundial se han realizados avances no solo en el tratamiento de desechos con contenido de metales sino de forma general en residuos líquidos, y uno de estos es el Proceso Ferrita, aplicado recientemente en Japón (Lou, 2007), el cual es una técnica efectiva y con muchas ventajas en comparación con la precipitación química. También, se puede encontrar los procesos de encapsulación de mercurio (Randall, 2004), procesos biológicos y procesos de oxidación avanzada.

A continuación se exponen los principios de cada uno de estos procesos y algunos resultados obtenidos por diversos autores teniendo en cuenta la caracterización del residuo; así mimo, cómo se deben clasificar los residuos en el laboratorio para su posterior tratamiento. Es de aclarar que, a pesar que anteriormente se explicó que los desechos industriales y domésticos no son tan complejos en comparación con los residuos de laboratorio de análisis químicos, en el desarrollo de cada uno de los procesos propuestos se relacionan resultados de lixiviados de rellenos sanitarios, principalmente debido a la falta de literatura que analice los residuos de interés, y por la similitud que puedan presentar estos en ciertas características para el tratamiento.

2. SISTEMAS DE TRATAMIENTOS

El sistema de tratamiento a utilizar depende de los compuestos que integran el residuo de laboratorio. Razón por la cual la clasificación de estos desechos en sus distintos grupos, (compuestos halogenados, metales pesados, mercurio, aceite y otros) es de vital importancia al momento de seleccionar el tratamiento adecuado.

En presencia de metales pesados, exceptuando el mercurio, se propone el uso del proceso ferrita y, para la particularidad, la implementación de métodos de encapsulación. Para los demás se presenta un abanico de posibilidades que, en general, se segmentan en dos corrientes: procesos biológicos y procesos fisicoquímicos.

2.1. Tratamientos Biológicos

Los tratamientos biológicos, dentro de los cuales existe gran variedad, son métodos económicamente eficaces para la remoción de compuestos orgánicos biodegradables. Sin embargo, los problemas con las altas concentraciones de sólidos suspendidos en los efluentes ocasionan que estos procesos sean cuestionados debido a fenómenos de crecimiento disperso; estos causan pérdida de los organismos que se encuentran en crecimiento lento, como nitrificantes o los organismos que son capaces de eliminar los contaminantes biodegradables con cinética baja. Además, la nitrificación biológica también es difícil de obtener debido a la alta salinidad y la presencia de grandes cantidades de compuestos inhibidores (Welander, 1988).

Los tratamientos biológicos pueden ser clasificados como procesos aeróbicos, anaeróbicos y anóxicos, los cuales son usados para la remoción de compuestos biodegradables (Welander, 1988). En algunos tipos de tratamiento se obtiene una remoción baja de DQO debido a la alta Demanda Química de Oxigeno (DQO) inicial que presenta el desecho, lo que permite a su vez que el procedimiento anaeróbico sea más ventajosos comparado con el aeróbico (Dollerer, 1996). Estos tratamientos han sido muy investigados, y se reportan que se manejan diferentes temperaturas (entre 11°C y 24°C) con eficiencias de remoción de DQO entre el 80% y 90% (en la Tabla 1 se observan algunas eficiencias de remoción obtenidas de la literatura) siempre y cuando se utilicen reactores que alternen los procesos aeróbicos y anaeróbicos a una misma muestra (Kettunen, 1996).

El tratamiento biológico, a pesar de ofrecer eficiencias de remoción aceptables, ocurre en tiempo de reacción muy largo, por lo cual en la actualidad es comúnmente acoplado con otras tecnologías con el fin de reducir este tiempo y mejorar las eficiencias de eliminación.

2.2. Tratamientos Fisicoquímicos

2.2.1. Proceso ferrita

El proceso ferrita (PF) remueve una variedad de metales pesados en soluciones, permitiendo obtener una concentración remanente extremadamente baja (Erdem, 2004). El lodo que se produce por el proceso es compacto y de fácil separación; a la vez, también cumple con los estándares de Procedimientos Característicos de Toxicidad en lixiviados (Huang, 2006). De igual forma, estos lodos son estables y presentan un magnetismo suave, por lo cual pueden ser reciclado como material magnético y, a su vez, pueden ser utilizados como catalizador para el tratamiento de alcohol iso-propilico y monóxido de carbono en gases residuales (Huang, 2006).

El proceso ferrita fue desarrollado principalmente para producir magnetita por síntesis húmeda, el cual se describe con la reacción (1)

Si la solución contiene otros metales en forma de iones, ocurre de igual forma (2)

Esta última reacción es la que se lleva a cabo en el tratamiento de metales pesados en residuos líquidos.

Existen tres factores que son determinantes en el comportamiento del proceso ferrita (Lou, 2009) y (Chen, 2008) estos son

• El uso de un pH entre 9-11

• La temperatura de reacción debe exceder a 70°C con el fin de que se formen cristales de ferrita grandes y no incluya otra fase cristal mixta.

• Las dosis de Fe²⁺ debe ser normalmente 5-10 veces mayor que la cantidad total de metal para asegurar la calidad de la ferrita. De igual forma, se debe proporcionar aireación para garantizar el oxígeno necesario para la reacción química; la literatura referencia que un suministro de 1L/min de aire es suficiente para mantener la reacción.

Existen dos tipos de proceso ferrita, el convencional y el extendido, pero la aplicación de cada uno depende de las concentraciones que se tienen que manejar de metales. Con concentraciones muy altas se debe trabajar con el proceso ferrita extendido, por el contrario se maneja el PF convencional.

En la Tabla 2 se pueden observar algunos resultados aplicando proceso ferrita a efluentes ricos en metales, además de la combinación de este con otros procesos con el fin de mejorar su eficiencia.

2.2.2. Encapsulación de Mercurio

Debido a los usos industriales y comerciales del mercurio se requieren técnicas fiables para la gestión de residuos contaminados con este elemento, pues las operaciones históricas han llevado a una importante contaminación y a la generación de más residuos peligrosos (Randall, 2004). El mercurio es un elemento inorgánico que no puede ser destruido, pero se puede convertir en formas menos solubles con el fin de reducir la migración en el medio ambiente luego de su eliminación. Las tecnologías de encapsulamiento pueden implicar una combinación de encerramiento físico a través de la solidificación y la estabilización química con la precipitación, adsorción u otras interacciones (Fuhrmann, 2002).

Existen dos formas de encapsular: micro-encapsulación y macro-encapsulación. La primera consiste en mezclar los residuos junto con el material que encierra, antes de la solidificación (Faucette, 1994). La segunda radica en verter el material que encierra sobre y alrededor de una gran masa de residuos, como le evidenció (Singh, 1998) con residuos de escombros (vidrio triturado contaminado con mercurio, entre otros) utilizando como material de encapsulamiento fosfato cerámico.

Una gran cantidad de autores obtuvieron diversos rendimientos, entre los cuales se puede destacar, con micro-encapsulación, Faucette (1994) quién obtuvo un 33.3% de inmovilización, Darnell (1996) con un 40%, Carte (1995) entre el 60-78% y Wagh (2001) con el 20%. Con macro-encapsulación se puede recalcar Singh (1998) con 35% y Mattus (1998) con un 50% de inmobilización. Cada uno de estos procedimientos de encapsulación se realizaron con diferentes materiales, como por ejemplo polímero de sulfuro, asfalto, polietileno, elastómeros sintéticos, resinas poliéster y mezcla carbón/cemento (Randall, 2004).

El objetivo principal del método de encapsulamiento es inmovilizar físicamente los residuos para prevenir el contacto con agentes lixiviantes como el agua (Randall, 2004).

2.2.3. Adsorción con Carbón Activado

Los procesos de adsorción son fenómenos de superficie, en donde una mezcla de fluidos (gas y/o líquido) es atraída a la superficie del sólido adsorbente y se crean vínculos a través de interacciones físicas o químicas (Morawe, 1995). Actualmente, el carbón activado granular o el carbón activado en polvo son muy utilizados debido a que presentan una gran superficie porosa, termo-estabilidad, baja reactividad acido/base, una estructura de poro controlable y gran capacidad para la eliminación de una amplia variedad de contaminantes orgánicos e inorgánicos disueltos en medio acuoso o gaseoso (Daifullah, 2004; Chingo, 2005; Li, 2008). En la Tabla 3 se resumen algunos resultados obtenidos en investigaciones.

2.2.4. Procesos de Oxidación Avanzada

Una gran variedad de procesos fisicoquímicos y biológicos han sido estudiados para el tratamiento de efluentes líquidos, sin embargo estos poseen limitantes de acuerdo en las características que posean estos efluentes.

Los procesos de oxidación avanzada han sido reportados como una tecnología potente capaz de degradar una amplia variedad de compuestos refractarios. De igual forma, la literatura ha demostrado que estos procesos pueden alcanzar una eficiencia considerablemente alta en comparación con tecnologías fisicoquímicas (Cortez, 2011). Es por esto que algunos de estos procesos se consideran para el tratamiento de residuos de laboratorios y se describen a continuación.

• Proceso Fenton

El proceso Fenton es una reacción entre el Peróxido de Hidrogeno (H₂O₂) y el ión Ferroso (Fe²⁺), que produce radicales hidroxilo (ecuación (3)), el cual es un fuerte oxidante capaz de oxidar y degradar diversos compuestos orgánicos (Deng, 2006). La degradación de estos compuestos y los tipos de productos obtenidos depende principalmente de la reacción que tengan con los radicales hidroxilos. Estos atacan los contaminantes orgánicos y los destruyen hasta obtener dióxido de carbono, agua y sales inorgánicas como producto finales (Huang et al, 1993).

Los valores de pH tienen un efecto significante en la degradación de los compuestos, y unas condiciones ácidas son requeridas para producir la máxima cantidad de radicales hidroxilos por la descomposición del Peróxido de Hidrogeno (H₂O₂) catalizado por el ión Ferroso. Generalmente, el valor óptimo de pH está entre 2.5-3.0. En una reacción con un pH mayor que 5 se puede observar eficiencia de remoción, pero ocurre un disminución en la oxidación debida a una reducción en la descomposición del Peróxido de Hidrogeno y, también, a la desactivación del catalizador por la formación de complejos férricos (Cortez, 2011).

Las eficiencias de remoción de DQO reportadas en la literatura puede estar ubicadas entre el rango de 45% a 85%. Reportan un incremento en la relación DBO₅/DQO, donde con valores por debajo de 0.10 se pueden alcanzar 0.14 y hasta más de 0.60 (Guo, 2010). En la Tabla 4 se observan algunos valores de eficiencia de remoción con las correspondientes condiciones de reacción para los procesos de tratamiento Fenton, ozono y combinaciones.

• Ozonización

El ozono es un agente oxidante muy potente capaz de reaccionar con la mayoría de las especies que contienen enlaces múltiples, pero no con los poseen enlaces sencillos a tasas altas (Yi, 1944); posee una alta reactividad y selectividad hacia los componentes orgánicos como los compuestos aromáticos (Derco, 2002). Durante la ozonización, los compuestos orgánicos con cadenas largas pueden ser fragmentados en cadenas más cortas, favoreciendo un incremento en su bio-degradabilidad o una degradación total hasta dióxido de carbón (Cortez, 2011).

El ozono posee la capacidad de transformar los contaminantes en sustancias inocuas en un corto periodo de tiempo, por lo tanto este proceso es también muy utilizado para el tratamiento de efluentes líquidos. A diferencia de la cloración, la ozonización no produce ningún contaminante secundario ya que este transforma la materia orgánica en compuestos de bajo peso molecular como el ácido acético (Bila, 2005). Durante este proceso, se trabaja en condiciones alcalinas considerando el hecho que bajo estas situación se presenta una mayor actividad de ozono en comparación con las condiciones acidas (Huang, 1993). En la Tabla 4 se muestran valores de eficiencia de remoción con las respectivas condiciones de reacción.

Los procesos anteriormente mencionados ofrecen una solución alternativa a la problemática que se presentan hoy en día con la disposición final de residuos líquidos de laboratorio de análisis químicos.

3. CONCLUSIONES

Existen diversas tecnologías físico-químicas y biológicas para el tratamiento de residuos líquidos que provienen de laboratorios de análisis químicos. Sin embargo, la elección del tratamiento está en función del tipo de residuo, es decir de su clasificación, las necesidades de efectividad del proceso que se requieran para su disposición final, los costos de la tecnología, ventajas y desventajas.

La incineración y la disposición en rellenos de seguridad han sido los más utilizados, no obstante la humanidad se encuentra en la búsqueda de soluciones que permitan darle un final a estos residuos que no vaya en contravía con el medio ambiente, y reincorporar los materiales usados a los ciclos biogeoquímicos de la naturaleza. Por eso esta revisión constituye un documento de referencia, en el que se analizan los diferentes sistemas de tratamientos que son utilizados, actualmente, para residuos líquidos de laboratorios de análisis químicos.

Los procesos biológicos proporcionan remociones altas con costos bajos, pero en tiempos demasiados largos, caso contrario al de los procesos de oxidación avanzada, los cuales permiten obtener mejores resultados en menor tiempo, aunque por un mayor costo. Sin embargo, los tratamientos combinados y/o secuenciales pueden ofrecer los mismos efectos, mayor eficiencia, periodos de tiempos no muy amplios y costos razonables.

Se propone la separación de los contaminantes en el laboratorio por grandes grupos funcionales de la química, que pueden variar de acuerdo al tipo de laboratorio entre 5 a 8 grupos, para luego poder implementar un tratamiento secuencial para cada grupo. Cada caso es especifico, por lo cual se debe abordar con criterio único; es diferente un laboratorio de análisis químico de alimentos a uno de calidad de aguas. Por las pequeñas cantidades de reactivos utilizados se pueden almacenar para su posterior tratamiento en el reactor establecido. Así mismo, se debe implementar en cada laboratorio la disminución en la generación de residuos, a partir de la creación de un plan de gestión ambiental y del ciclo de vida para cada grupo de residuos generados. Este último punto es esencial y debe establecerse primero. Segundo se deben crear los grupos de contaminantes a separar. Tercero el bodegaje de los contaminantes, y cuarto el tren de tratamiento.

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1. Información suministrada por vía entrevista. Contacto: Diego Osorio, Director Técnico.

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