Arsénico, elemento de las incrustaciones en las redes de distribución de agua potable en el norte de México y su desprendimiento

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1 Arsénico, elemento de las incrustaciones en las redes de distribución de agua potable en el norte de México y su desprendimiento Manuel Fuentes Díaz* Instituto Mexicano de Tecnología del Agua Ingeniero Bioquímico Industrial, maestría en Ingeniería Ambiental de la UNAM. Campo de especialización: sistemas anaerobios de tratamiento de aguas residuales y sistemas fisicoquímicos para agua potable y aguas residuales. 17 años de experiencia en el área de Biotecnología e Ingeniería Ambiental, ha trabajado en investigación, docencia y para empresas privadas, actualmente labora en el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, donde ha participado en por lo menos 15 proyectos de relevancia nacional. Actualmente trabaja en sistemas de desalación y remoción de contaminantes específicos en agua potable. (*) Paseo Cuauhnahuac 8532 Edificio 9 PB, Colonia Progreso, Jiutepec, Morelos, C.P México Tel +52(777) ext. 157 Fax +52(777) mfuentes@tlaloc.imta.mx o fuentesd@hotmail.com RESUMEN Este estudio demostró que existe un desprendimiento de arsénico en las tuberías de distribución de agua potable donde existían antecedentes de pozos con concentraciones elevadas de arsénico >0.05 mg/l. Los efectos a la salud provocados al ser humano por ingestión y contacto con arsénico han provocado que las autoridades mexicanas cancelen los pozos que presentan este metaloide y busquen otras alternativas de abastecimiento como: la perforación de nuevos pozos con bajas concentraciones de arsénico o tratamiento por membrana de los pozos existentes. Sin embargo, a pesar de que las concentraciones de los pozos son inferiores a la norma mexicana actual para el arsénico, el abastecimiento del agua se lleva a cabo en las mismas tuberías que fueron utilizadas para abastecer a las comunidades antes de conocerse los efectos negativos del arsénico en el ser humano. La tubería de la red contiene arsénico incrustado que se va lavando con el agua con baja concentración de arsénico de acuerdo a lo que se presenta en este trabajo. Las incrustaciones se localizaron en tuberías de hierro colado y galvanizado que tienen antigüedad hasta de 50 años. Se monitoreo un circuito cerrado con antecedentes de abasto de agua con altas concentraciones de arsénico (>0.05 mg/l), esto quiere decir que la zona de estudio no tiene influencia de otros pozos que pudieran interferir con el análisis de arsénico. (Los pozos que abastecen esta red tienen concentración menor a 0.05 mg/l de As). Se monitorearon 3 puntos: a la salida del pozo después de la cloración (no existía otro punto antes de clorar porque ésta era en línea), el segundo punto de muestreo fue una toma domiciliaria en el parte media de la comunidad y finalmente en la zona más alejada, el monitoreo se llevó a cabo durante 12 horas continuas, se realizaron 16 análisis fisicoquímicos de cada muestra incluyendo el arsénico. En México, para el 2004, el límite máximo permisible para el arsénico es de mg/l, para el 2005 éste será de mg/l (25 µg/l), lo anterior significa que varios pozos que trabajan actualmente con concentraciones entre 0.03 a mg/l, para el 2005 estarán fuera de norma y tendrán que perforarse nuevos pozos con concentraciones iguales o menores de arsénico de mg/l. Sin embargo, a pesar de que los límites disminuyen, seguirá utilizándose la misma red de distribución, lo que puede afectar al usuario final debido al arsénico que podría desprenderse en de las incrustaciones aumentando la concentración de éste en el agua. Los resultados muestran que existe adsorción y desprendimiento del arsénico de un punto a otro, el balance demostró que al final se desprende 4.1 µg/l. Una de las incrustaciones encontrada contenía en su mayoría óxidos de hierro (67%), lo que favorece la adsorción del arsénico, ésta presento una concentración de 384 miligramos de arsénico por kilogramo de incrustación Palabras clave: Adsorción, incrustaciones, óxidos de hierro, análisis minerográfico, desorción El objetivo del presente proyecto, fue el conocer si existe desorción (desprendimiento) o adsorción de arsénico de las incrustaciones presentes en la red de distribución de agua potable en comunidades ubicadas en la Comarca Lagunera, Coahuila, en el norte de México, donde existían pozos de agua potable con antecedentes de arsénico. I 1

2 NTRODUCCIÓN La toxicidad del arsénico es compleja, depende de la vía de exposición, de la forma química, del estado de la valencia y de la concentración a la que se hace la exposición. Así, por ejemplo, las sales inorgánicas trivalentes son más tóxicas que las pentavalentes. La exposición continua a través del agua para consumo humano ocasiona lesiones cutáneas características, tales como pigmentación, hiperqueratosis plantar y papilar, así como la presencia de carcinomas en la piel. (OMS, 1995). La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (USEPA por sus siglas en inglés), clasifica al arsénico como cancerígeno, la exposición a 0.05 mg As/L puede causar cáncer de piel en 31 de cada 1000 habitantes, por este motivo, la USEPA considera bajar este límite a 0.02 mg As/L y más aún, a futuro llegar al límite permisible de 0.01 mg As/L. Se han encontrado altas concentraciones de este elemento en el agua de bebida de Argentina, Bangladesh, Chile, China, Hungría, India y Estados Unidos. En México se ha identificado este problema en diferentes regiones que incluyen a los estados de Baja California Sur, Chihuahua, Coahuila, Durango, Guanajuato, Hidalgo y Morelos, donde se rebasa el límite máximo permisible de mg As/L establecido en la Norma Oficial Mexicana NOM-127SSA para el año 2004, lo que representa problemas de moderados a graves para la salud pública. La norma mexicana para el arsénico ha sido más estricta cada año desde el 2000 cuyo límite era de 0.05 mg/l, actualmente (en el 2004) el límite es de mg/l, para el 2005 el límite será de mg/l. La zona de estudio se ubica en el norte del país, en una zona denominada Comarca Lagunera que incluye los estados de Durango y Coahuila. En esta región, las autoridades se han preocupado por los problemas de salud pública y continúan con estudios y acciones tendientes a disminuir la problemática de la presencia de arsénico de origen natural, en las fuentes subterráneas de abastecimiento de agua para uso y consumo humano Durango Coahuila Durango Coahuila FRANCISCO I. MADERO TLAHUALILO MAPIMÍ # # # # ## # ## # ## # # # # 24 # # # # SAN PEDRO MATAMOROS GOMÉZ PALACIO # VIESCA CD. LERDO TORREON PARRAS 36 Durango Coahuila 25 Figura 1 Ubicación de los estados de la zona de estudio Figura 2 Zona de monitoreo de pozos Esta zona cuenta con 63 fuentes de abastecimiento (figura 2), de acuerdo a la norma oficial vigente en el año de 1999, para el arsénico, 47 de éstas estaban dentro de norma, Huerto y López (1999). Con la disminución gradual de los límites del arsénico para el 2005, el 43% (36 fuentes de abastecimiento) estarán fuera de norma. La tabla siguiente muestra los niveles de concentración de arsénico en 63 pozos que abastecen a la comarca lagunera, comparados con la norma mexicana que aplicaba en año 2000 y con la que aplicará el próximo año, se muestra el número de pozos que ya no cumplirán con la norma en el

3 TABLA 1: Concentración de arsénico en Pozos y su comparación con la norma mexicana en el año 2000 y 2005 (Huerto y López 1999) y elaboración propia. Total de pozos evaluados 63 Ubicación Arsénico mg/l NOM-127* 2000(0.05 mg/l) NOM-127* 2005 (0.025 mg/l) Arsénico mg/l NOM-127* 2000(0.05 mg/l) NOM-127* 2005 (0.025 mg/l) Pozo 1 R. Blanco Cumple Cumple Pozo Cumple Cumple Pozo 2 R. Blanco Cumple Cumple Pozo Cumple Cumple El Coronel Cumple No cumple Pozo Sacrificio No cumple --- Vicente Suárez Cumple Cumple Pozo Sacrificio No cumple de Febrero Cumple Cumple V. Carranza No cumple Morelos Cumple Cumple Pozo 1 Agrícolas No cumple Poanas Cumple No cumple Pozo 2 Agrícolas Cumple No cumple San Ramón No cumple --- Pozo 3 Agrícolas Cumple No cumple Transporte No cumple --- Pozo 4 Agrícolas Cumple No cumple La Torreña No cumple --- Pozo Malvinas Cumple Cumple Pozo Cumple Cumple Pozo Malvinas No cumple --- Pozo Cumple Cumple Pozo Malvinas Cumple No cumple Pozo Cumple Cumple Pozo Virginias No cumple --- Pozo Cumple No cumple Pozo el fresno Cumple Cumple Pozo Cumple Cumple P. 1 San Felipe Cumple No cumple Pozo Cumple Cumple P. 2 San Felipe Cumple Cumple Pozo Cumple Cumple P. 3 San Felipe Cumple Cumple Pozo Cumple Cumple P. 4 San Felipe Cumple Cumple P. 8 interestatal Cumple No cumple Pozo Lujan Cumple Cumple Pozo Cumple No cumple P. San Antonio B Cumple Cumple III Pozo Cumple No cumple Pozo la Joya Cumple Cumple Salamanca No cumple --- Pozo San Cumple Cumple Agustín San Jacinto Cumple Límite P. Nuevo Cumple Cumple Mieleras León Guzmán Cumple No cumple Pozo San Isidro Cumple No Cumple P. 3 Torreón Cumple No cumple Pozo 1 Coyote Cumple Cumple Pozo Cumple No cumple P Coyote Cumple Cumple Pozo No cumple --- T. Caballo Cumple Cumple Blanco Pozo Cumple No cumple Toma ej. Las No cumple No cumple Vegas Pozo No cumple --- P. 18 interestatal Cumple No cumple Pozo 3 Matamoros No cumple --- P. 10 San Felipe No cumple No cumple Pozo 4 Matamoros No cumple --- P. San Antonio B Cumple Cumple I Pozo Cumple Cumple Año Pozos que Cumplen % cumple 75% 43% La Comisión Nacional del Agua, realizó un monitoreo para actualizar la información sobre la concentración de arsénico en los pozos que abastecen actualmente dicha región. A partir de los resultados del monitoreo antes 3

4 mencionado, se determinó si existían diferencias entre las concentraciones de arsénico encontradas en algunos pozos y tomas domiciliarias correspondientes. De los 20 sistemas monitoreados en el estudio preliminar, ocho (40%) aumentaron su concentración del pozo a la toma domiciliaria. Con base en lo anterior, para conocer o inferir la posible acumulación o desprendimiento (adsorción o desorción) de arsénico dentro de las redes de distribución, fue necesario investigar la formación de incrustaciones, su composición y bajo que condiciones habría adsorción o desprendimiento del arsénico, Huerto y López (1999). El sistema de distribución principal de agua potable tiene una antigüedad mayor de 50 años, parte del material de la red es de asbesto-cemento y otra de hierro colado, la antigüedad en los ramales, dependerá de la edad de la comunidad, si ésta tiene mas de 50 años los ramales serán en su mayoría de hierro colado, entre 25 a 15 años de asbesto cemento, y si es menor de 14 años de PVC. Años anteriores, cuando no se conocían los efectos de salud provocados por el arsénico, esta red se abastecía de agua de pozos con concentraciones de arsénico hasta 0.8 mg/l (la norma actual en el 2004 establece mg/l). Con el paso del tiempo y las incrustaciones naturales por la dureza del agua, se supone que el arsénico queda atrapado en estas, principalmente en las tuberías de hierro colado. Al conocerse los efectos negativos del arsénico, la norma mexicana fue más estricta en este parámetro y estableció como límite máximo permisible 0.05 mg de arsénico/l en agua potable para consumo humano en el año de 1994, por lo que muchos pozos fueron cerrados y se perforaron nuevos con concentraciones menores a la norma, para el 2005 el límite bajará a la mitad (0.025 mg/l), provocando que se cierre aún mas pozos. Sin embargo, en los sistemas de distribución no se realizaron sustituciones de las tuberías de hierro colado que a la fecha siguen funcionando. El presente trabajo tuvo como objetivo: demostrar si existe adsorción del arsénico presente en los nuevos pozos por parte de las incrustaciones presentes en la red y conocer si existe desorción (desprendimiento) por parte de la incrustación hacia el usuario final, por cuestiones de operación de la misma (falta o exceso de cloro, paros prolongados en la distribución etc.) METODOLOGÍA Sé monitoreo la calidad del agua en la red de agua potable de un sistema cerrado, esto significa que el pozo que abastece a la comunidad o colonia, es único y no existe otra fuente, por lo que se conoce que cantidad de arsénico aporta el pozo y esta no deberá ser mayor o menor al usuario final, se tomó agua en 3 puntos de la red; el primero a salida del pozo, como la cloración era en línea se tomó agua clorada, de ahí iba a un tanque de almacenamiento y de ahí se distribuía el segundo punto fue en la parte media de la red y el tercero en el domicilio mas alejado del pozo. Los parámetros analizados fueron: cloro total, hierro, silicatos, ph, temperatura, conductividad, alcalinidad, cloruros, dureza total, sulfatos, nitrógeno total, dureza de calcio, calcio, manganeso, magnesio y arsénico. La toma de muestras fue simultánea en todos los puntos y durante un periodo de 12 horas tomando muestras puntuales cada hora y media. Así mismo, se tomaron muestras de incrustaciones localizadas en uno de los puntos monitoreados A estas muestras se les sometió a pruebas de absorción y desprendimiento del arsénico, mediante la modificación de parámetros que podrían ocurrir en la red como el ph, tiempo de contacto y cantidad de cloro en pruebas de jarras. Para determinar las variantes que iban a monitorearse, se utilizó un sistema exponencial 2 3 Goupy, J., (1988). Para confirmar los resultados, las incrustaciones fueron sometidas a microscopía de barrido donde se obtuvo en porcentaje la cantidad de cada elemento, para conocer todos los compuestos presenten en la incrustación, se realizó la difracción por rayos X, fluorescencia de rayos X para los elementos presentes, el análisis químico por absorción atómica indicó la cantidad de cada elemento por kg de incrustación, con la información anterior se realizó un análisis minerográfico que proporcionó el porcentaje de elementos presentes en la incrustación. Las incrustaciones únicamente se localizaron en tuberías de acero. A pesar de que existe una alta dureza permanente en el agua, no se encontraron éstas, en tuberías de PVC y de asbesto cemento. Una de las incrustaciones se obtuvo en la ciudad de Torreón (sitio monitoreado en calidad de agua). Las incrustaciones fueron pulverizadas y tamizadas a una malla de 16 mm., posteriormente éstas fueron puestas en el equipo de jarras, se les agregó un litro de agua destilada y se ajustó el ph, cloro y el tiempo de contacto, tomando muestras a los 15 minutos (inicio) y al final del experimento (6 h). 4

5 Como se mencionó, las incrustaciones fueron sometidas a pruebas de adsorción y desorción del arsénico, variando 3 factores que pueden ocurrir en las redes de agua potable. La siguiente tabla muestra las variables evaluadas y valores tomados. Los valores mínimos y máximos fueron se obtuvieron del monitoreo de calidad del agua. Para la desorción no se agregó arsénico únicamente la incrustación, para la absorción se agregó arsénico a una concentración de mg/l (concentración máxima histórica localizada en uno de los pozos que abastecía la zona). TABLA 2: Valores y variables utilizadas para las pruebas de jarras de las incrustaciones Parámetro A=pH B= Cloro Libre C= Tiempo de contacto (h) RESULTADOS Los resultados de calidad de agua se muestran en la tabla 3. TABLA 3: Resultados de los análisis fisicoquímicos Parámetro mg/l Pozo Punto 1 Dom-1 Punto 2 Dom-2 Punto 3 Dureza de Ca Dureza Mg Dureza temporal Dureza permanente Dureza total Alcalinidad total Índice de Ryznar 6.98 Aniones Bicarbonatos* Cloruros Sulfatos Silicatos Nitratos Cationes Fe Mn As Realizando el balance de arsénico en cada punto se observó que después de 12 horas de muestreo existe una desorción o desprendimiento del arsénico de 4.1 µg/l. 5

6 La incrustación encontrada en el sitio del muestreo se presenta en la siguiente figura: Los resultados de sorción para la incrustación en las pruebas de jarras fueron los siguientes: el arsénico se adsorbe cuando la incrustación es sometida a ph ácidos y tiempo de contacto de 6 horas. El arsénico se desprende de la incrustación bajo tres condiciones; 1) ph alcalino (8.5) y sin cloro, 2) ph alcalino y tiempo de contacto de 6 horas, y 3) cuando la concentración de cloro es cero o muy baja y el tiempo de contacto es alto. Figura 3 Tubería obtenida de la red de distribución evaluada De acuerdo a lo observado durante la operación de la red, la condición número 3 es la que mas ocurre, ya que suele terminarse el cloro y no cuentan con reserva y llegan a durar hasta varios días sin cloro hasta que se reestablece el suministro. Los resultados del análisis del estudio mineragráfico fueron los siguientes:. Fases presentes. Muestra Fórmula Compuesto Porcentaje Pozo 12. Torreón. Red de Agua Potable Na(Si 3 Al)O 8 Silicoaluminato de sodio 0.36 SiO 2 Dióxido de silicio FeO.OH Goethita (Dióxido de Fierro (III) hidratado) FeO.Fe 2 O (Na 2 K 2 ) 2 (Mg,Fe) 3(Fe,Al) 2 (SiO 3 ) Ca 2 Al 4 Si 14 O H 2 O Silicoaluminato de calcio 0.53 La composición principal de la muestra son óxidos de hierro. Los óxidos de hierro favorecen la adsorción del arsénico, esto explica él porque de este fenómeno podría ocurrir en las líneas de distribución. La incrustación esta formada por el 67% de óxidos de hierro de acuerdo a la tabla anterior. El análisis químico de las incrustaciones muestra la presencia de arsénico y encontró a una concentración de 384 mg de As/kg de incrustación. Realizando el balance en la red, considerando la hidráulica del sistema, distancias, tiempos de retención y concentraciones de arsénico en cada punto y las incrustaciones encontradas, esta tiene una capacidad de desprender arsénico a un ritmo de 156 µg/l*d de acuerdo a las pruebas de jarras. En condiciones reales de operación de la red, el arsénico se desorbe a una tasa de 11.8 µg/l*d. CONCLUSIONES El agua del pozo evaluado presentó un índice de Ryznar mayor a 6 que indica que el agua es corrosiva y poco incrustante a temperatura ambiente y a temperaturas altas esta sería incrustante. La temperatura promedio en la red fue de 25 o C, por lo que las líneas de agua caliente de las casas que sean de acero galvanizado tendrán incrustaciones. En el año 2000 de los 63 pozos evaluados 47 de estos (75%) cumplían con la norma para arsénico (0.05 mg/l), con la disminución gradual de la norma, sólo 27 pozos (43%) estarán dentro de norma para el año A pesar de que la norma es mas estricta, la red de distribución es la misma, que en algunas zonas desde hace mas de 50 años y a ésta, a lo largo de los años, se le ha ido acumulando e 6

7 incrustando sales incluyendo el arsénico que bajo ciertas condiciones de operación de la red se demostró que el arsénico puede ser adsorbido o desprendido. No se localizaron incrustaciones en las tuberías de PVC y de asbesto cemento, solo en las tuberías de acero galvanizado y hierro colado. La red de abastecimiento monitoreada mostró en el balance de arsénico una desorción de 4.1 µg/l equivalente a 11.8 µg/l*d una vez realizando el balance de la red. Las incrustaciones de la red evaluada esta formada por el 67% de óxidos de hierro. El análisis químico de las incrustaciones muestra presencia de arsénico 384 mg de As/kg. Los resultados de sorción para la incrustación en las pruebas de jarras muestra que el arsénico es adsorbido cuando la incrustación es sometida a ph ácidos y tiempo de contacto de 6 horas. El arsénico se desprende de la incrustación bajo tres condiciones; 1) ph alcalino (8.5) y sin cloro, 2) ph alcalino y tiempo de contacto de 6 horas, y 3) cuando la concentración de cloro es cero o muy baja y el tiempo de contacto es alto. De acuerdo a lo observado durante la operación de la red, es muy probable que la desorción del arsénico se deba a que no exista suministro de cloro y el agua este en la red tiempos largos, debido a que en las pruebas de desorción se observó que existe desprendimiento de arsénico cuando no hay cloro y el agua permanece mucho tiempo en contacto con la incrustación. Con lo anterior, se puede concluir que las incrustaciones presentes en la red de distribución podrían adsorber y desprender arsénico si cambian las condiciones REDOX de la red. Los factores que provocan este fenómeno dependerán de la formación de la incrustación, del material de formación y de las condiciones de operación de la red. Por lo que no se puede generalizar, que todas las incrustaciones se van a comportar de igual forma en cuanto al fenómeno de sorción y desprendimiento del arsénico. Sin embargo, este fenómeno se presenta en las redes de distribución, ya que se comprobó que hay desprendimiento del metaloide, aumentando la concentración de éste en el usuario final hasta 4.1 µg/l (11.4 µg de As/L*d). La falta de cloro y tiempo de residencia altos, favorecen el fenómeno de desorción, por lo que es necesario poner atención en la operación de la red. Agradecimientos: Rubén Huerto Delgadillo por facilitar la información para actualizar los niveles de concentración de arsénico en pozos. A la M.I. Ma. de Lourdes Rivera Huerta, M.I. Antonio Ramírez González y al Ing. Cristian Cassals (estudiante francés) por su participación en el proyecto y a la Ing. Leticia Bedolla Vázquez por la realización de las pruebas de laboratorio. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Benefield Larry D., (1982). Process Chemistry for Water and Wastewater Treatment. Prentice-Hall, Inc., pp Corrosion Internal of Water Distribution Systems., (1985). Cooperative Research Report. AWWA Research Foundation. De Gyves, M. J., Genesca, Ll. J., (1990). Determinación de la tendencia a la incrustación o corrosión del agua. Ingeniería Hidráulica, Vol. V, Número 2., pp Echávez A. Gabriel, Moreno A. Victor M. (1994). Efecto del envejecimiento en el coeficiente de pérdidas para tuberías hasta de 2 pulgadas. Informe elaborado para el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. Fuentes D. Manuel et al. (2000). Análisis de la acumulación de arsénico en la red de distribución de agua potable en la Comarca Lagunera. Informe elaborado para la Unidad de Agua Potable y Saneamiento de la Comisión Nacional del Agua. Huerto D. Rubén, López L. Rogelio. (1999). Niveles de concentración de Arsénico en pozos para agua potable en la Comarca Lagunera. Informe elaborado para la Gerencia de Construcción de la Comisión Nacional del Agua. pp Anexo 1. Goupy, J., (1988). La Méthode Des Plans D Expériences., Dunod. Paris, France., pp Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA (1996). Salud ambiental, para uso y consumo humano. Límites permisibles de calidad y tratamientos a que se debe someterse el agua para su potabilización. Diario Oficial Mexicano. 7

8 Organización Mundial de la Salud. (1995) Guías para la calidad del agua potable. Vol. 1. 2ª edición. Ginebra. pp Ryznar, J. W., (1944). A new index for determining amount of calcium carbonate scale formed by water. J. Amer. Water Works Assoc. Vol. 36, pp