Rev. Amaz. Cienc. Ambient. Ecol., 2 (2), e512, doi: 10.51252/reacae.v2i2.e512
Artículo original
Original article
Jul-Dic, 2023
https://revistas.unsm.edu.pe/index.php/reacae
e-ISSN: 2810-8817
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Cinética de metales pesados en lixiviados de un relleno
sanitario de Cajamarca, Perú
Kinetics of heavy metals in leachates from a landfill in Cajamarca, Peru
Vera-Zelada, Persi1*
Vera-Zelada, Luis Alberto2
Minchán-Sapo, Judith Rossmery3
Quiliche-Culqui, Marta Isabel3
1Universidad Nacional de Jaén, Jaén, Perú
2Universidad Nacional de Cajamarca, Cajamarca, Perú
3Universidad Privada Antonio Guillermo Urrelo, Cajamarca, Perú
Recibido: 10 Mar. 2023 | Aceptado: 13 May. 2023 | Publicado: 10 Jul. 2023
Autor de correspondencia*: persi.vera@unj.edu.pe
Como citar este artículo: Vera-Zelada, P., Vera-Zelada, L. A., Minchán-Sapo, J. R. & Quiliche-Culqui, M. I. (2023). Cinética de metales pesados en
lixiviados de un relleno sanitario de Cajamarca, Perú. Revista Amazónica de Ciencias Ambientales y Ecológicas, 2(2), e512.
https://doi.org/10.51252/reacae.v2i2.e512
RESUMEN
Esta investigación propuso determinar la cinética de metales tóxicos del lixiviado de la infraestructura de tratamiento y
disposición final de residuos sólidos de Cajamarca al entrar en contacto con el suelo. El estudio se ejecutó a nivel de
laboratorio; se colocó en un recipiente de 150 L, 100 kg de suelo y un volumen de 60 L de lixiviado para generar el contacto
de ambos, el experimento duró 60 días y se muestreo cada 10 días en los siguientes lapsos de 0, 10, 20, 30, 40 y 50 días para
luego ser recirculado. El lixiviado no aporta contaminantes al suelo, el suelo se comporta con un adsorbente puesto que el
arsénico, el cadmio, el cromo, el hierro, el plomo y el zinc, son metales retenidos o adsorbidos en adición, el cobre y el mercurio
son metales que el suelo no retiene. Con respecto a la cinética, se demostró que la velocidad de reacción del hierro es mayor
a los demás con 0,012 mg/días y una adecuación promedio de todos los metales al modelo de pseudo segundo orden del
99,58%. Se concluye que los metales tóxicos del lixiviado tienen una baja velocidad de reacción en el suelo.
Palabras clave: biodigestión anaeróbica; metales; tratamiento de lixiviados
ABSTRACT
This research proposed to determine the kinetics of toxic metals from the leachate from the infrastructure for the treatment
and final disposal of solid waste in Cajamarca when it comes into contact with the soil. The study was carried out at the
laboratory level; 100 kg of soil and a volume of 60 L of leachate were placed in a 150 L container to generate the contact of
both, the experiment lasted 60 days and was sampled every 10 days in the following periods of 0, 10, 20, 30, 40 and 50 days
to later be recirculated. The leachate does not contribute contaminants to the soil, the soil behaves with an adsorbent since
arsenic, cadmium, chromium, iron, lead and zinc are metals retained or adsorbed in addition, copper and mercury are metals
that the ground does not hold. Regarding the kinetics, it was shown that the reaction rate of iron is higher than the others
with 0.012 mg/day and an average adequacy of all metals to the pseudo second order model of 99.58%. It is concluded that
the toxic metals in the leachate have a low reaction rate in the soil.
Keywords: anaerobic biodigestion; metals; treatment of leachate
Vera-Zelada, P. et al.
2 Rev. Amaz. Cienc. Ambient. Ecol. 2(2): e512; (Jul-Dic, 2023). e-ISSN: 2810-8817
1. INTRODUCCIÓN
La lixiviación es una operación de extracción primaria en el procesamiento hidrometalúrgico, mediante la
cual un metal de interés se transfiere de minerales naturales a una solución acuosa. En esencia, implica la
disolución selectiva de minerales valiosos, donde el mineral, el concentrado o la mata se ponen en contacto
con una solución química activa conocida como solución de lixiviación (Meshram et al., 2016).
Debido a los muchos estudios realizados, los lixiviados se consideran un tema muy importante y serio, no
solo en el campo de la ingeniería, sino que también es un tema de educación y manejo integral de residuos
sólidos (Abdel-Shafy & Mansour, 2018). El lixiviado es un líquido negro o marrón con fuerte olor
desagradable, alto contenido orgánico y toxicidad (Peng, 2017).
Es por esto por lo que los propios lixiviados son considerados un contaminante altamente peligroso y
tóxico, ya que son producto de la degradación de la materia orgánica biodegradable presente en los
residuos sólidos urbanos. Tiene las características de sales, nitrógeno amoniacal, metales pesados, sales
inorgánicas, etc. (Jayawardhana et al., 2016).
Los lixiviados a menudo se forman al combinar grandes cantidades de materia orgánica con diferentes
contaminantes que pueden ser tóxicos, por lo que detallan impactos significativos en el medio ambiente y
no solo en los cuerpos de agua (Propp et al., 2021). Los lixiviados en los vertederos llevan sustancias
diluidas, suspendidas, fijas o volátiles, lo que hace que tengan una alta carga orgánica (Cárdenas-Ferrer et
al., 2020). El lixiviado contiene a su vez altas concentraciones de sales inorgánicas (cloruro y carbonato de
sodio) y metales pesados (Kapelewska et al., 2016).
“En Perú existen 12 rellenos sanitarios para abastecer a 1851 distritos, esto da a entender que más del 95%
de residuos termina en botaderos. Según los últimos reportes, son 18, 131 toneladas de residuos que se
generan en el país día a día. Esta cantidad hace referencia a llenar 3 veces todo el estadio nacional en una
sola jornada” (¿Sabías Que Perú Genera 18 131 Toneladas de Basura Al Día?) (PUCP, 2016).
Cajamarca no se encuentra ajeno al problema de la disposición final de sus residuos sólidos, por lo que, en
la infraestructura de tratamiento y disposición final de residuos sólidos de Cajamarca se genera gran
cantidad de lixiviados y en épocas de lluvia éstas tienden a rebalsar entrando en contacto con el suelo,
generando impactos negativos en los suelos de alrededor la infraestructura de tratamiento y disposición
final de residuos sólidos.
Además, mecionamos que no solo daña los suelos, sino que también genera impacto sobre las aguas tanto
superficiales como subterráneas (Sasakova et al., 2018). Debido a la problemática que existe en el relleno
sanitario de Cajamarca, hemos considerado que existe un aumento de los metales en forma disuelta en los
lixiviados, y por ello planteamos el estudio cinético de los metales tóxicos al estar en contacto con el suelo.
El objetivo fue determinar la cinética de adsorción de metales tóxicos del lixiviado de la infraestructura de
tratamiento y disposición final de residuos sólidos de Cajamarca al entrar en contacto con el suelo.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
Investigación descriptiva de corte transversal, las muestras ambas tanto suelo como lixiviado han sido
extraídas de la infraestructura de tratamiento y disposición final de residuos sólidos de Cajamarca, y
transportadas al laboratorio donde se realizó dicho experimento.
Se usaron suelos presentes en la parte periférica de las pozas de lixiviación del relleno sanitario de la
provincia de Cajamarca. Y se extrajeron lixiviados de las pozas de lixiviación de la infraestructura de
tratamiento y disposición final de residuos sólidos de la provincia de Cajamarca. Se obtuvo de muestra 150
mL de lixiviado filtrado o el escurrido del contacto con el suelo.
Vera-Zelada, P. et al.
3 Rev. Amaz. Cienc. Ambient. Ecol. 2(2): e512; (Jul-Dic, 2023). e-ISSN: 2810-8817
2.1. Técnicas e instrumentos de recolección de datos
Se recogieron muestras del lixiviado de la infraestructura de tratamiento y disposición final de residuos
sólidos de Cajamarca. Luego se implementó un reactor de contacto entre el suelo y el lixiviado, el cual debe
tener un caño en la parte inferior para recircular la parte líquida, debido a que el experimento se realiza en
un sistema tipo “batch” (Depósito de 150 L).
Se vertieron los lixiviados con un circuito cerrado de recirculación y con un sistema Batch. Se extrajeron
muestras semanalmente para la determinación de metales disueltos tóxicos por 2 meses. El análisis se
realizó considerando los metales según los Límites máximos permisibles y según la carga metálica total.
En la investigación se tomaron muestras iniciales del lixiviado antes de drenarlo al suelo, dado que el
propósito es determinar si el suelo retiene o aporta metales al lixiviado.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Se midieron las características iniciales del lixiviado (Tabla 1).
Tabla 1.
Variables estudiadas de las muestras de M. Oleifera
Parámetros
Unidad
Inicial
Arsénico Disuelto
(mg/L)
0,18613
Cadmio Disuelto
(mg/L)
0,00211
Cobre Disuelto
(mg/L)
0,08614
Cromo Disuelto
(mg/L)
1,6938
Hierro Disuelto
(mg/L)
20,5911
Mercurio Disuelto
(mg/L)
0,00105
Plomo Disuelto
(mg/L)
0,0295
Zinc Disuelto
(mg/L)
0,8383
La Tabla 2, indica el análisis de varianza de la concentración del arsénico en relación con los diferentes
tiempos (0, 10, 20 y 30 días), la cual nos manifiesta que las medias no son iguales, es decir, existe una
diferencia entre los grupos de tiempo, pues el valor P es menor al 0,05 y confirmamos con el valor F.
Adicionalmente, la diferencia entre la concentración del arsénico del tiempo inicial (0) con respecto a la
concentración de los tiempos siguientes (10, 20, 30 días) son diferentes pues se visualiza en las gráficas la
dispersión esto quiere decir que el valor inicial es significativamente diferente a los demás.
Esto demuestra que el arsénico disuelto es retenido por el suelo, ya que, las concentraciones siguientes son
menores a la inicial y no solo eso, sino que en los tres días las concentraciones son iguales. Por lo tanto, el
suelo se comporta como un adsorbente para el arsénico disuelto.
Tabla 2.
Comparación de los resultados iniciales en relación con los días asignados y su réplica
Parámetros
10 (días)
20 (días)
30 (días)
30-R
Arsénico Disuelto (mg/L)
0,02682
0,02427
0.01632
0,01791
Cadmio Disuelto (mg/L)
0,00102
0,00021
0,00037
0,0003
Cobre Disuelto (mg/L)
0,03291
0,09826
0,0881
0,08922
Cromo Disuelto (mg/L)
0,0307
0,0717
0,0521
0,0639
Hierro Disuelto (mg/L)
0,1803
0,2583
0,1732
0,1833
Mercurio Disuelto (mg/L)
0,00106
0,00043
0,00052
0,00039
Plomo Disuelto (mg/L)
0,0006
0,0014
0,0022
0,0008
Zinc Disuelto (mg/L)
0,0679
0,1004
0,0337
0,0496
Carga metálica (mEq/L)
220,24
172,19
146,60
181,37
Vera-Zelada, P. et al.
4 Rev. Amaz. Cienc. Ambient. Ecol. 2(2): e512; (Jul-Dic, 2023). e-ISSN: 2810-8817
El análisis de varianza de la concentración del cadmio en relación con los diferentes tiempos (0, 10, 20 y 30
días), la cual nos manifiesta que las medias no son iguales, es decir, existe una diferencia entre los grupos
de tiempo.
Los drenados en diferentes tiempos son iguales, es decir, que las medias de los resultados son iguales (p
0,997) lo que quiere decir que no existe una diferencia significativa. En conclusión, el cobre disuelto no es
retenido ni aportado por el suelo.
Existe diferencia entre la concentración inicial y las concentraciones en el tiempo. Adicionalmente, las
muestras de los diferentes tiempos son iguales, es decir, que se mantienen estables. Esto quiere decir que
el suelo se comporta como un adsorbente que retiene el cromo disuelto presente en el lixiviado.
Existe diferencia entre la concentración inicial y las concentraciones en el tiempo. Adicionalmente, las
muestras de los diferentes tiempos son iguales, es decir, que se mantienen estables. Esto quiere decir que
el suelo se comporta como un adsorbente que retiene al hierro disuelto presente en el lixiviado. El mercurio
disuelto del lixiviado no es retenido ni aportado por el suelo (p 0,064). El suelo se comporta como un
adsorbente que retiene el plomo disuelto presente en el lixiviado.
El suelo se comporta como un adsorbente que retiene el zinc disuelto presente en el lixiviado. También se
observa que la carga metálica se encuentra en equilibrio ya que no ha disminuido.
Del análisis anterior se deduce que de los ocho metales disueltos estudiados solamente dos permanecen
con medias iguales, en otras palabras; el arsénico, el cadmio, el cromo, el hierro, el plomo y el zinc, son
metales que son retenidos o adsorbidos por el suelo en las diferentes recirculaciones con tiempos distintos.
En cambio, el cobre y el mercurio son metales que no son adsorbidos por la porosidad del suelo.
Adicionalmente, se calculó la sumatoria total de la carga metálica en los diferentes tiempos, el resultado fue
una igualdad de medias (Tabla 3); lo que demuestra que el suelo no aporta metales al lixiviado cuando estos
están en contacto.
En la Tabla 3, se presenta la capacidad de adsorción del arsénico (qAs) y el logaritmo neperiano de la
concentración para determinar la linealidad de los resultados experimentales con respecto a la ecuación
de pseudo primer y segundo orden y determinar la relación R2 de ambas ecuaciones. Asimismo, se halló la
constante de reacción.
Tabla 3.
Análisis de la cinética del Arsénico disuelto en los 60 días
Arsénico Disuelto
Tiempo
Concentración (mg/L)
X (mg/L)
qAr (mg/g)
t/qt
Ln As disuelto
0
0,1861
0,0000
0,000000
0,000000
-1,6813
10
0,0268
0,1593
0,000096
104617,83
-3,6186
20
0,0300
0,1562
0,000094
213442,62
-3,5079
30
0,0243
0,1619
0,000097
308908,93
-3,7185
40
0,0162
0,1699
0,000102
392341,49
-4,1221
50
0,0163
0,1698
0,000102
490744,56
-4,1154
60
0,0179
0,1682
0,000101
594459,64
-4,0224
La cinética del arsénico se resume en la Tabla 4, pues, la constante de reacción o velocidad de reacción del
arsénico disuelto con relación a la ecuación de pseudo primer orden es de 0.0308 mayor al del segundo
orden 0,000102, indicando que la reacción entre el suelo y el lixiviado es mayor, sin embargo, la
linealización del pseudo primer orden es menor al del segundo orden, es decir, el R2 del primero es 60,52
% y del segundo es 99,89 % mostrándonos que los datos se alinean mejora a la segunda ecuación.
Vera-Zelada, P. et al.
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Tabla 4.
Linealización de la ecuación de pseudo primer y segundo orden para arsénico disuelto
Pseudo primer orden
Pseudo segundo orden
Linealización
Linealización
Valor de k
y=
Ln Ct
y=
t/qt
-0,0308x
k
585971x=
1/(k*qe^2)
0,000102
459571=
t/qe
La cinética del Cadmio se resume en la Tabla 5, pues, la constante de reacción o velocidad de reacción del
cadmio disuelto con relación al suelo es 0.0000011 indicando que su reacción es demasiado baja, en
cambio, para el pseudo primer orden es alto (0,0296), sin embargo, el valor R2 del pseudo segundo orden
(98,32%) es mayor al del primer orden (65,91%) mostrándonos que la ecuación se adecua al segundo
modelo.
Tabla 5.
Análisis de la cinética del Cadmio disuelto en los 60 días
Cadmio Disuelto
Tiempo
Concentración
(mg/L)
X
(mg/L)
qCd (mg/g)
t/qt
Ln Cd
disuelto
0
0,00211
0,0000
0
0.00
-6,1611
10
0,00102
0,0011
0,000000654
15290519,88
-6,8880
20
0,00064
0,0015
0,000000882
22675736,96
-7,3540
30
0,00021
0,0019
0,00000114
26315789,47
-8,4684
40
0,00042
0,0017
0,000001014
39447731,76
-7,7753
50
0,00037
0,0017
0,000001044
47892720,31
-7,9020
60
0,0003
0,0018
0,000001086
55248618,78
-8,1117
Como se visualiza en la Tabla 6, la concentración del cromo disuelto en el tiempo disminuye, es decir que,
a diferencia del cadmio, el cromo disuelto es adsorbido por el suelo en un tiempo de 10 días y que luego
permanece constante. En efecto, el cromo disuelto es retenido con mayor prontitud para el pseudo primer
orden (0,0339) en contraposición al pseudo segundo orden (0,0009847). En efecto, el cromo es adsorbido
por el suelo según el modelo de pseudo segundo orden.
Tabla 6.
Linealización de la ecuación de pseudo primer y segundo orden para el Cromo disuelto
Pseudo primer orden
Pseudo segundo orden
Linealización
Linealización
Valor de k
y=
Ln Ct
y=
t/qt
-0,0339x
K
1018.5x=
1/(k*qe^2)
0,0009847
78,504=
t/qe
La adsorción de Hierro es el que tiene mayor reacción, ya que, la constante de reacción es 0,0123 para el
pseudo segundo orden y 0,0551 para el pseudo primer orden (Tabla 7), por tal razón, el hierro es un metal
que tiene mayor reacción con el suelo.
Tabla 7.
Linealización de la ecuación de pseudo primer y segundo orden para el Hierro disuelto
Pseudo primer orden
Pseudo segundo orden
Linealización
Linealización
Valor de k
y=
Ln Ct
y=
t/qt
-0.0551x
k
81.531x=
1/(k*qe^2)
0.0122653
10.188=
t/qe
Vera-Zelada, P. et al.
6 Rev. Amaz. Cienc. Ambient. Ecol. 2(2): e512; (Jul-Dic, 2023). e-ISSN: 2810-8817
El plomo disuelto es similar a los dos metales anteriores, ya que, como se visualiza en la Tabla 8, la
concentración del plomo disuelto en el tiempo disminuye, es decir que, el plomo disuelto es adsorbido por
el suelo en un tiempo de 10 días y que luego permanece constante. En efecto, el plomo disuelto es retenido
con mayor prontitud para un pseudo primer orden (0,0277) y más lenta para un pseudo segundo orden
(0,0000168), y con una relación lineal para el primero del 21,96 % y el segundo con el 99,8 %;
perteneciendo, por tanto, a la ecuación de seudo segundo orden.
Tabla 8.
Linealización de la ecuación de pseudo primer y segundo orden para el Plomo disuelto
Pseudo primer orden
Pseudo segundo orden
Linealización
Linealización
Valor de k
y=
Ln Ct
y=
t/qt
-0,0277x
K
59550x=
1/(k*qe^2)
0,0000168
5400=
t/qe
Finalmente, los datos experimentales del Zinc disuelto (Tabla 9) se adecuan a la ecuación de pseudo
segunda orden según la relación R2: 99,51% mayor a la relación de R2: 61,6% del pseudo primer orden.
Adicionalmente, la constante de reacción del pseudo segundo orden es 0,0004841 menor al del primer
orden: 0,04. En consecuencia, la reacción del Zinc es muy lenta más en el tiempo logra estabilizarse en el
suelo.
Tabla 9.
Análisis de la cinética del Zinc disuelto en los 60 días
Zinc Disuelto
Tiempo
Concentración (mg/L)
X (mg/L)
qPb (mg/g)
t/qt
Ln Zn disuelto
0
0,8383
0
0
0
-0,1764
10
0,0679
0,7704
0,000462
21633,78
-2,6897
20
0,1644
0,6739
0,000404
49463,32
-1,8055
30
0,1004
0,7379
0,000443
67759,86
-2,2986
40
0,0403
0,7980
0,000479
83542,19
-3,2114
50
0,0337
0,8046
0,000483
103571,13
-3,3903
60
0,0496
0,7887
0,000473
126790,92
-3,0038
La cinética de los metales disueltos en relación con el suelo demuestra que el factor suelo se comporta como
un adsorbente, ya que, el arsénico, el cadmio, el cromo, el hierro, el plomo y el zinc son retenido en
diferentes lapsos de tiempo (días) para luego estabilizarlos (Puga, 2006). Una de las razones por la que el
suelo retiene metales, se debe a su capacidad de intercambio catiónico además del tipo de suelo, ya que, un
suelo franco arcilloso retiene más compuestos en su estado disuelto que un suelo arenoso, por ello, la
textura del suelo es importante (Chowdhury et al., 2021).
En suma, el suelo no aporta contaminantes o metales al lixiviado, ya que, las concentraciones de metales
del lixiviado se mantienen (cobre y el mercurio) o son adsorbidos por el suelo (el arsénico, el cadmio, el
cromo, el hierro, etc.) pero no aporta (Wuana & Okieimen, 2011). Otro punto para considerar es la
velocidad de reacción, ya que, de los 6 metales analizados solamente el hierro tiene una constante de
reacción mayor a los de los demás metales, dado que, el valor es 0,0122653, lo que indica que la adsorción
del hierro es más rápida que las demás. En otro estudio se investigaron las isotermas y la cinética de
adsorción, y los datos de equilibrio concordaron muy bien con el modelo de Langmuir y el modelo de
pseudo segundo orden pudo describir el proceso de adsorción mejor que el modelo de pseudo primer
orden (Dai et al., 2012).
Finalmente, el modelo de pseudo segundo orden es el modelo cinético con mayor adecuación a los datos
experimentales, dado que, el promedio del R2 es 99,58% indicando una alta relación de adecuación en
Vera-Zelada, P. et al.
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contraposición al pseudo primer orden que tiene una relación menor al 60 %. En otro estudio se encontró
que el modelo de pseudo-segundo orden explica la cinética de adsorción de manera más efectiva. También
se encontró que la difusión de poros jugó un papel importante en la adsorción (Li et al., 2009).
Por lo tanto, existe una creciente necesidad de desarrollar soluciones novedosas, implementar prácticas
ambientalmente sostenibles en la recuperación de estos valiosos y preciosos metales, con particular
referencia a los metales críticos, que son aquellos incluidos en los materiales que son indispensables para
la vida moderna y para los cuales un aumento exponencial del consumo ya es una realidad o lo será a corto
plazo (antimonio, indio, vanadio, etc.). En consecuencia, la economía de los procesos, que está íntimamente
ligada a la cinética de lixiviación, es de gran importancia.
CONCLUSIONES
El suelo es un factor que naturalmente adsorbe metales en su estado disuelto o iónico y no aporta metales
al estar en contacto con el lixiviado dado que las concentraciones de los metales (As, Cd, Cr, Fe, Pb y Zn)
permanecen iguales, estadísticamente hablando, durante los 60 días de prueba. Existen metales disueltos
que el suelo no puede adsorber, tales como el Cu y el Hg; estos permanecen sin cambio de inicio a fin (según
Tukey y Fisher).
El balance total de los metales disueltos, haciendo uso de su equivalencia (mEq/L), no ha sufrido cambio;
pues según la comparación estadística no existe diferencia significativa. El suelo es un factor que retiene
metales y no aporta contaminantes al lixiviado de los residuos sólidos urbanos. La cinética del arsénico,
cadmio, cromo, hierro, plomo y zinc, demuestran que el suelo se comporta con un adsorbente y no aporta
metales al lixiviado. La velocidad de reacción del hierro es mayor que los demás y por ende el más rápido
en ser retenido; sin embargo, todos los metales se estabilizan después de los 10 días.
FINANCIAMIENTO
Ninguno
CONFLICTO DE INTERESES
El presente artículo no presenta conflicto de intereses.
CONTRIBUCIÓN DE LOS AUTORES
Vera-Zelada, P., Vera-Zelada, L. A., Minchán-Sapo, J. R. y Quiliche-Culqui, M. I.: Conceptualización, análisis
formal, metodología, redacción-borrador, revisión y edición.
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