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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA
FACULTAD DE CIENCIAS
ESCUELA PROFESIONAL DE QUMICA
INFORME DE SUFIC^NCIA PARA OPTAR EL TTULO
PROFESIONAL DE:
LICENCIADO EN QUMICA
TITULADO:
ESTUDIO DE TCNICAS ELECTROQUMCAS PARA LA
REMEDIACIN DE SUELOS
PRESENTADO POR:
CONSUELO PA U L ^A YAURI GALINDO
ASESOR
DR. ADOLFO LA ROSA TORO G O ^ Z
LIMA-PERU
2014
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DEDICATORIA
A Dios que siempre me gua.
A mi familia y de forma muy especial a mi
pap, Hernn Hugo Yauri Dvila, por su
amor, apoyo incondicional, ayuda, consejos
y comprensin, en todo momento.
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AGRADECIMIENTOS
A mis profesores por su buena enseanza y
su calidad como personas, a mis amigos que
siempre estuvieron conmigo con su apoyo,
aliento y sabios consejos y a mi asesor
Adolfo La Rosa Toro ^ m e z , por su apoyo
durante toda mi carrera.
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INDICE
GLOSARIO DE TERMINOS Y ABREVIATURAS 6RESUMEN 8PARTE 1:
INTRODUCCIN 9PARTE 2: OBJETIVOS 12PARTE 3: TCNICAS APLICADAS A LA
REMEDIACIN DE SUELOS 143.1 INTRODUCCIN 153.2 CLASES DE LAS TCNICAS
DE REMEDIACIN DE SUELOS 163.2.1. TRATAMIENTOS BIOLGICOS 16A.
BIORREMEDIACIN 16B. FITORREMEDIACIN 21C. BIOTRANSFORMACIN DE
METALES 28D. flO VEm M G 30E. ^ D F ^ M I N G 32F. BIOPILAS 33G.
COMPOSTAJE 34H. LODOS BIOLOGICOS 35
3.2.2. TRATAMIENTOS TRMICOS 36A. INCINERACIN 36B. DESORCIN T R
^C A 36
3.2.3. TRATAMIENTOS MIXTOS 37A. EXTRACCIN MULTIPLE 37B.
ATENUACIN NATURAL 38
3.2.4. TRATAMIENTOS FISICOQUMCOS 39A. EXTRACCIN 39B. LAVADO 43C.
FLUSHING 45D. ADICIN DE ENMIENDAS 45E. BARRERAS PERMEABLES ACTIVAS
46F. INYECCIN DE AIRE COM PRADO 47G. ELECTRORREMEDIACIN 48
PARTE 4: TEORA ELECTROCINTICA APLICADA A LA REMEDIACIN DE
SUELOS. 494.1 INTRODUCCIN 504.2 CONCEPTOS BSICOS 524.3 PRINCIPIO
DEL MTODO 544.4 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ELECTRORREMEDIACIN
554.5 ELECTROCmTICA 594.6 CRITERIOS DE DISEO 604.7 CRITERIOS DE
FUNCIONALIDAD 60
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4.8 CRITEWOS PARA LA SELECCIN DE MATERIALES DE LA CELDA 614.9
CRITERIOS PARA LA SELECCIN DEL ELECTRODO 614.10 DISEO DE LA CELDA
624.11 MEJORAMIENTO DE LA TCNICA 624.12 LAS LIMITACIONES DE LA
TCNICA 644.13 ELECTROCmTICA APLICADA A LA REMOCIN DE METALESPESADOS
654.14 PROCESOS ELECTROCmTICOS PARA REMEDIACIN DE SUELOS 66A.
ELIMINACIN DE METALES PESADOS Um iZA NDO UNA
MEMBRANA SELECTIVA DE CATIONES 66B. ELIM^ACIN DE METALES PESADOS
UmiZANDO CUBIERTAS DE
CE^^MICA 67C. PROCESODE^X4GAC4 68D. ELECTROQUMICA DE INTERCAMBIO
IMCO 70
PARTE 5: ENSAYOS EXPERIMENTALES P ^ A LA REMEDIACIN DE MUESTRAS
DE SUELO DE LA OROYA 715.1 INTRODUCCIN 725.2 PROCEDIMIENTO
EXPERIMENTAL 74A. DETERMINACIN DE LA H^^EDA D 74B. DETERM^ACIN DE
LA CURVA DE CALIBRACIN 74C. DETERM^ACIN LA CONCENTRACIN INICIAL DE
PLOMO EN LA
MUESTRA 76D. PRUEBAS PARA LA ELECCIN DE LA SOLUCIN DE LA CUBETA
77E. PRUEBAS PRELIMINARES DEL SISTEMA CON UNA SOLUCIN DE
PLOMO 78F. MONTAJE DE LA CELDA ELECTROC^TICA 79G. DETERMINACIN
DE PLOMO EN EL SUELO DESPUS DEL
TRATAMIENTO ELECTROCINTICO 805.3 RESULTADOS 815.4 DISCUSIN DE
RESULTADOS 81PARTE 6: CONCLUSIONES 84PARTE 7: REFERENCIAS
BIBLIOGRFICAS 86
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GLOSARIO DE TERMINOS Y ABREVIATURAS
Edafizacin: P ro b o s de intemperismo y erosin mediante los
cual& las rocas o
sedimentos se convierten en suelo.
Destoxificar: Eliminar toxinas.
Rizosfera: Parte del suelo inm^iata a las races vivas y que est
bajo la directa influencia
de estas.
Evotranspiracin: Es un p roejo por medio del cual la planta
pierde agua en forma de
vapor, es un proceso similar a la transpiracin de los
mamferos.
Biomasa: Es todo el conjunto de elementos vivos que componen un
espacio geogrfico y
que actan en combinacin de muchas maneras diversas.
Homeostasis: propiedad de los organismos vivos que consiste en
su capacidad de mantener
una condicin intema atable.
Siderforo: Es un compuesto quelante de hierro srcretado por
microorganismos.
fw spa^m g: Inyeccin de aire comprimido.
Alctonas: Que tienen su origen en un lugar diferente a aquel en
el que vive.
Escorrentia: Corriente de agua que rebosa su depsito o cauce
natural o artificial. Compost: Composto o abono orgnico.
Bioslurping: Es una tecnologa que utiliza el vaco y la actividad
de los microorganismos
para la remediacin de suelos.
EDTA: Acido etilendiaminotetraactico.
NTA: Acido nitrilotriactico.
COVs: Compuestos orgnicos voltiles.
TNT: Trinitrotuloeno.
RDX: Royal Demolition Explosive.HMX: High Melting Explosive.DDT:
Deflagration-Detonation Transition.
DNT: 2, 4 - Dinitrotolueno.USEPA: U nit^ States Environmental
Protection Agency.USACE: U nit^ States Army Corps ofEngineers.LNAP:
Compuestos no acuosos en tse libre.BTEX: Benceno, tolueno,
etilbenceno y xileno.
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ESTUDIO DE TECNICAS ELECTROQUIMICAS
PARA LA REMEDIACIN DE SUELOS
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RESUMEN
En el pr^ente informe se hace una revisin bibliogrfica de las
principal^ tcnicas
existentes en el tratamiento de suelos contaminados ta l^ como
tratamientos biolgicos,
trmicos y fisicoqumicos, con especial inters en la tcnica de
Remediacin
Electrocintica as como su aplicacin en la remocin de metales
pesados (Plomo, Pb).
La Remediacin Elecfrocintica es una tcnica innovadora para la
descontaminacin y
restauracin de suelos, lodos y otros material^ slidos
contaminados con compuestos
inicos y no inicos, los cuales migran mediante la aplicacin de
un campo elctrico. La
tcnica consiste en aplicar una corriente elctrica de baja
intensidad en un suelo lo que
provoca la migracin de las especia contaminantes hacia uno de
los electrodos donde son
concentradas, para luego ser exfradas, tratadas y depositadas
adecuadamente. Esta tcnica
se presenta como una alternativa novedosa y limpia en el campo
de la remediacin
ambiental de suelos.
Se hizo una revisin bibliogrfica de un estudio de la aplicacin
de sta tcnica, en una
muestra real contaminada, proveniente del centro metalrgico la
Oroya, para la remocin
de Plomo (Pb). Dnde se utiliz cido etilendiaminotetraactico
(EDTA) y nitrato de
potasio (KNO3), como solucin en la celda y como solucin
elecfroltica respetivamente
aplicando un potencial constante de aproximadamente 10V durante
30 minutos. La
concenfracin de plomo en el suelo se determin a travs de
Voltametra de Redisolucin
Andica antes y d^pus de la aplicacin de la tcnica de remocin,
para poder determinar
el porcentaje de rendimiento del mtodo, dnde se obtuvo una
remocin de 47.90 % de Pb
para la muesfra.
Palabras claves: Elecfrocintica; Biorremediacin; Suelo
contaminado; Metales pesados;
Conductividad elctrica.
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PARTE 1. INTRODUCCIN
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Los diferentes proc^os mineros, tales como la exploracin,
explotacin, fendicin, y
refinacin, causan diversos impactos ambientales ta l^ como la
destruccin de la
vegetacin, el arrastre de residuos peligrosos, descargas de
aguas viduales, emisin a la
atmosfera de residuos y la generacin de pr^as de residuos
mineros como remanentes del
beneficio, ^ tos en su mayora feeron depositados sin considerar
su impacto al medio
ambiente, como la oxidacin de los minerales insolubl^ y formacin
de sustancias solubles
cidas con alto contenido de metales (drenaje cido).
Para el tratamiento de sitios contaminados por esta problemtica
se han propuesto diversas
tecnologa, que alteran la composicin de una sustancia peligrosa
o contaminante a travs
de acciones qumicas, fsicas o biolgicas de manera que reduzcan
la toxicidad, movilidad
o volumen del material contaminado. Dentro de los tratamientos
fisicoqumicos, la
remediacin electrocintica tambin conocida como
electrorremediacin, es una tecnologa
emergente y promisoria que aprovecha las propiedades conductivas
del suelo, cuyo objetivo
es separar y extraer contaminantes orgnicos e inorgnicos
(metala) de suelos, lodos y
sedimentos, con el uso de un campo elctrico que permite remover
las especies cargadas
(iones). Implica la aplicacin de una corriente dirrcta de baja
intensidad o potencial entre
un elrctaodo positivo y uno negativo. 1
Condicionantes de remediacin
Cuando se planifica un tratamiento de limpieza para un suelo
contaminado, lo primero a
drcidir ^ si r^ulta nrcesaria su decontaminacin. Esta decisin
depender
fondamentalmente de varios factore:
Uso del suelo. El uso actual y foturo del suelo, y sobre todo,
la evaluacin de la
posibilidad de taansmitir la contaminacin a la cadena trfica
humana, a travs de la transmisin de la contaminacin a pastos o
aguas superficial^, ser siempre el primer
tactor a considerar para esta toma de decisiones.
Situacin. La proximidad del suelo contaminado a poblaciones o
industrias ser tambin un tactor importante a valorar.
10
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Naturaleza de la contaminacin. Evidentemente, la peligrosidad de
un determinado
contaminante contenido en un suelo condiciona de forma muy
dirrcta la posible
necesidad de retirarlo o inertizarlo de alguna manera.
Naturaleza del suelo. Los riegos ligados a la presencia de la
contaminacin en el suelo
dependern tambin en parte de propiedades del suelo como
capacidad de tamponacin
y de amortiguacin, vulnerabilidad y cargas crticas, que a su vez
dependen de la textura,
permeabilidad, pH, capacidad de cambio, mineraloga, contenido en
materia orgnica
del suelo. 2
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PARTE 2. OBJETIVOS
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Estudiar las diferentes tcnicas de remediacin ambiental para
suelos contaminados.
Describir el mtodo de elecfrorremediacin, como tcnica de
avanzada en la
descontaminacin ambiental de suelos.
Describir el proc^imiento experimental de elecfrorremediacin
aplicada a la remocin
de plomo de una nuestra real de suelo contaminado.
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PARTE 3. TECNICAS APLICADAS A LA
REMEDIACIN DE SUELOS
14
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3.1. INTRODUCCION
La contaminacin del suelo consiste en una degradacin qumica que
provoca la prdida
parcial o total de la productividad del suelo como consecuencia
de la acumulacin de
sustancias txicas en unas concentraciones que superan el poder
de amortiguacin natural
del suelo y que modifican negativamente sus propiedades. Esta
acumulacin se reali^.
generalmente como consecuencia de actividades humanas exgenas,
aunque tambin se
puede producir de forma natural o endgena cuando los procesos de
edafizacin liberan
elementos qumicos contenidos en las rocas y los concentran en el
suelo alcanzando niveles
txicos. 3
Las propiedad^ fsicas, qumicas, fisicoqumicas y biolgicas del
suelo controlan en gran
medida los ciclos biogeoqumicos superficiales, en los que acta
como un reactor complejo
que sirve de elemento protector de otros medios ms sensibles
frente a elementos
contaminantes. As, el suelo ejerce su labor protectora a travs
de su poder de
amortiguacin o capacidad natural de depuracin de la
contaminacin. Esta atenuacin de
los elementos nocivos contaminantes se realiza, enfre otras, a
travs de reacciones de
complejacin, reacciona de adsorcin y desorcin, reacciones de
precipitacin y
disolucin, reacciones de xido-r^uccin, reacciones cido-base y
reacciona derivadas de
procesos metablicos. Todas estas reacciona estn estrechamente
controladas por
propiedades del suelo como su textura, estructura, porosidad,
capacidad de intercambio
catinico, pH y la actividad microbiolgica. En cualquier caso,
hay que tener muy presente
que el poder de amortiguacin de un suelo no es ilimitado y
cuando se rebasa, el suelo deja
de ser eficaz como sumidero de la contaminacin, llegando incluso
a invertirse el proceso y
a convertirse en una foente de contaminacin para los organismos
del suelo y para el medio
circundante. 4
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3.2. CLASES DE TCNICAS APLICADAS A LA REMEDIACIN DE SUELOS
Tratamientos in sito y ex sito: La principal ventaja de los
^atamientos in sito frente a los ex
sito es que el suelo tratado no tiene que ser excavado ni
taansportado. Sin embargo,
generalmente requieren ms tiempo para su desarrollo, estn
sujetos a la heterogeneidad de
las caractersticas de los suelos y acuferos y su eficacia es ms
difcil de verificar.
3.2.1. TRATAMIENTOS BIOLGICOS:
Estos tratamientos utilizan bacterias, hongos y plantas para
destoxificar las sustancias de
riesgo para el hombre y el m ^io ambiente. Para que los
tratamientos de biorrecuperacin
de suelos sean efectivos no slo hay que tener en cuenta tactores
biolgicos, como la
existencia de poblaciones microbianas susceptibles de
transformar los contaminantes, la
presencia de nutrientes y oxgeno u otros aceptores de electrn^
alternativos, sino tambin
tactores ambiental^ como el tipo de suelo, la temperatura y el
pH. Las estrategias de biorrecuperacin que foncionan en un lugar
determinado no tienen por qu foncionar en
otro, y los procesos de biorrecuperacin que se llevan a cabo en
el laboratorio puede que no
tengan el mismo xito cuando se e^apolan a los ^tudios de campo.
3
A. BIO^REMEDIACIN
La biorremediacin puede ser definida como el uso de organismos
vivos, componentes
celulares y enzimas libres, con el fin de realizar una
mineralizacin, una ttansformacin
parcial, la humificacin de los r&iduos o de agentes
contaminantes y una alteracin del
estado redox de metales. Tambin puede definirse como la
respuesta biolgica al abuso
ambiental. Utilizado para terrenos contaminados por agentes
orgnicos como
hidrocarburos, p&ticidas, etc., tambin inorgnicos como
metala pesados.
Los microbios son la base de la biosfera, son los ancestros de
toda forma de vida, la vida
sin microbios no es posible. Los microbios son responsables de
reciclar elementos crticos de la vida.La naturales tiene una cierta
capacidad de limpieza de los elementos
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contaminantes. 5 Microorganismos como levaduras, hongos o
bacterias que degradan una
gran cantidad de sustocias txicas (esprcialmente efectiva en
tratamiento de
contaminantes orgnicos, incluido el petrleo), reduciendo su
carcter nocivo o incluso
volvindolas inocuas para el medio ambiente y la salud humana. La
biorremediacin
consiste en acelerar este proceso natural para mitigar la
contaminacin ambiental.6
Fundamento: El fondamento bioqumico de la biorremediacin se basa
en que en la cadena
respiratoria, o transportadora de electrones de las clulas, van
a producir una serie de
reacciones de xido-reduccin cuyo fin ^ la obtencin de energa. La
cadena la inicia un
sustrato orgnico (compuestos hidrocarburados) que es extemo a la
clula y que acta
como dador de electrones, de modo que la actividad metablica de
la clula acaba
degradando y consumiendo dicha sustancia. Los aceptores ms
comnmente utili^dos por
los microorganismos son el oxgeno, los nitiatos, el hierro
(111), los sulfatas y el dixido de
carbono. Cuando el oxgeno es utilizado como aceptar de
electrones la respiracin
microbiana se produce en condiciones aerobias, y los proc^os de
biodegradacin sern de
tipo aerobio; sin embargo, si u tili^ los sulfatas o el dixido
de carbono se produce en
condiciones reductoras o anaerobias, y los procesos de
biodegradacin sern de tipo
anaerobio (Figura N 1 ).7
Degradacin aerobia:
Sustrato + O2 ^B iom asa + CO2 + H2O
Degradacin anaerobia:
Susfiato + (NO?-, S042-, Fe3+, Mn4+, C 02) ^ Biomasa + C 02 +
(N2, Mn2+, S2+, Fe2+, CH4)
Figura N 1. Esquema de las reacciones.7
Clasificacin de procesos: Bsicamente, los procesos de
biorremediacin pueden clasificarse en dos tipos:
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1. Remediacin microbiana
Se refiere al uso de microorganismos directamente en el foco de
la contaminacin. Estos
microorganismos pueden ya existir en ese sitio o pueden provenir
de otros ecosistemas, en
cuyo caso deben ser inoculados en el sitio contaminado (proejo
de inoculacin). Cuando
no & nec&aria la inoculacin de microorganismos, suelen
adminisfrarse ms nutiient^ con
el fin de acelerar el proejo. Hay bacterias y hongos que pueden
degradar con relativa
facilidad petrleo y sus derivados, benceno, tolueno, acetona,
pesticidas, herbicidas, ter&,
alcoholes simple, entre Oteos. Tambin pueden degradar, aunque
parcialmente, otros
compuestos qumicos como los PCB (bifenilos policlorados),
arsnico, selenio, cromo. Los
metales pesados como uranio, cadmio y mercurio no son
biodegradabl^, pero las bacterias
pueden concentearlos de tal manera de aislarlos para que sean
eliminados ms fcilmente.8
2. Degradacin enzimtica
Consiste en el empleo de enzimas en el lugar contaminado con el
fin de degradar las
sustancias nocivas. Dichas enzimas son previamente producidas en
bacterias transformadas
genticamente. Esta aplicacin de la biotecnologa lleva dcadas en
el mercado y hoy las
compaas biotrcnolgic^ ofrecen las enzimas y los microorganismos
genticamente
modificados para tal fin.8
Factores que influyen: Para que las bacterias puedan eliminar
las sustancias qumicas
dainas, el suelo debe tener la temperatura, los nuteient^ y la
cantidad de oxgeno
apropiados. Esas condiciones permiten que las bacterias crezcan,
se multipliquen, y
asimilen ms sustancias qumicas. Cuando las condiciones no son
las adecuadas, las
bacterias crecen muy despacio o mueren, o incluso pu^en crear
sustancias qumicas ms
dainas. 2La concentracin y composicin de la comunidad microbiana
y la tasa de fransformacin
de contaminantes est influenciada por diversos factor^:
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Nrcraidad de nutrientes: El metabolismo microbiano est orientado
a la reproduccin de
los organismos y stos requieren que los constituyentes qumicos
se encuenden disponibles para su asimilacin y sintetizacin. Los
nucientes principalmente requeridos
son el fsforo y el nitrgeno. Por lo general suele haber en el
suelo una concenfracin de
nucientes suficiente, sin embargo, si ratos no se encongasen en
el rango normal se
puede adicionar mayor cantidad al m ^io. El rango normal de
C:N:P depende del
sistema de tratamiento a emplear, siendo de modo habitual 100 :1
0 :1 .
pH del suelo: afecta significativamente en la actividad
microbiana. El crecimiento de la
mayor parte de los microorganismos es mximo dentro de un
intervalo de pH situado
entre 6 y 8. As mismo el pH tambin afecta directamente en la
solubilidad del fsforo y
en el transporte de metalra pesados en el suelo.
Temperatura: generalmente las especies bacterianas crecen a
intervalos de temperatura
bastante reducidos, enfre 15 C y 45 C, decreciendo la
biodegradacin por
desnaturalizacin de las enzimas a temperaturas superiores a 50 C
e inhibindose a inferiores a 0 C.
Humedad: los microorganismos requieren unas condiciones mnimas
de humedad para
su crecimiento. El agua forma parte del protoplasma bacteriano y
sirve como medio de
transporte a travs del cual los compuestos orgnicos y nucientes
son movilizados hasta
el interior de las clulas. Un exceso de humedad inhibir el
crecimiento bacteriano al
reducir la concenfracin de oxgeno en el suelo. El rango vara en
foncin de la tcnica.
Esfructura qumica del hidrocarburo: la inherente
biodegradabilidad de un hidrocarburo
depende, en gran m ^ida, de su rafructura m odular. Siendo los
parmefros que ms
van a afectar: la halogenacin, la existencia de ramificaciones,
la baja solubilidad en el
agua y la diferente carga atmica. 2
Los microorganismos pueden ayudar a eliminar la contaminacin de
las aguas subterrneas,
al igual que del suelo. En este caso, el agua se mezcla con
nutrientes y aire antes de ser
reinyrctada al terreno. Tambin pu^en bombearse nucientes y aire
por los pozos, de forma
que la mezcla se produzca directamente en profondidad. Los
nufrientra y el aire aadidos ayudan a Ira bacterira a biorremediar
las aguas subterrneas. Una vez que se han eliminado
las sustancias qumicas dainas, las bacterias ya no tienen comida
disponible y mueren.
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La biorremediacin & muy segura, ya que depende de microbios
que existen normalmente
en los suelos. Esos microbios son tiles y no repr&entan un
peligro para las personas en el
sitio o la comunidad. Adems, no se emplean sustancias qumicas
peligrosas. Los nutriente
que se aaden para que las bacterias crezcan son fertilizantes de
uso corriente en el csped
o el jardn. La biorremediacin transforma las sustancias qumicas
dainas en agua y gases
inofensivos. 2
Aunque la biorremediacin puede ser muy efectiva para procesos de
descontaminacin, no
hay que olvidar que se frata de una tcnica paliativa, por lo que
hay que apostar por una
poltica preventiva que minimice los riesgos de contaminacin.
6
En general la tasa de transferencia de masa de aceite
(hidrocarburos) es menor que la tasa
de transferencia de oxgeno y la tasa de biodegradacin, adems es
la etapa controlante de
la biorrem^iacin en suelo contaminado con hidrocarburos (Figura
N 2). 9
" La degradacin altera la m ol^la r de Ircorgnicos y el g ^ o de
a l^ ^ O T d^^mina si
% ha o m i ^ l t o w .
El P o tito ^^aibfuiiiBdn % refere a la d e ^ m ^ ^ ^ r de un m
m p u ^o orgniro en similar.
tn mineralizaron produce mtaldescomposicinse
Figura N 2. Proceso de biofransformacin y minerali^cin.9
20
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Como principales ventajas de la biorremediacin se pueden indicar
las siguientes:
Es una tnica que por lo general es in situ, lo que evita la
necesidad de extaaer el suelo,
e incluso el contacto de los trabajadores con el suelo o agua
contaminados.
Evita la liberacin de gases dainos al aire y se generan muy
pocos residuos.
Generalmente esta tcnica no requiere tanto equipamiento ni
trabajo como la mayora de
los mtodos alternativos.
Los contaminante son usualmente convertidos a productos inocuos,
no simplemente
transferidos a otaos medios ambientales.
Como inconvenientes, se pueden citar los siguiente:
No suele ser efectiva ms que en condiciones relativamente
superficiales.
Presenta factore intansecos que la hacen inviable en
determinados casos.
Las enmiendas introducidas al ambiente para incrementar la
biorremediacin pueden
causar otros problemas de contaminacin.2
B. FITO^^MEDIACIN
Es el empleo de plantas para reducir in situ la concentracin y/o
la peligrosidad de
contaminantes orgnicos e inorgnicos de suelos, sedimentos, aguas
y aire, a partir de
procesos bioqumicos reali^dos por las plantas y sus
microorganismos asociados que
conducen a la reduccin, minerali^cin, degradacin, estabili^cin
y/o volatili^cin de
dichos contaminantes. 10
La Fitorremediacin utiliza la capacidad de ciertas epecies
vegetales para sobrevivir en
ambientes contaminados con metales pesados y sustancias orgnicas
y a la vez extraer,
acumular, inmovilizar o transformar estos contaminante del
suelo. Las plantas utilizadas
en la fitorremediacin presentan mecanismos constitutivos y
adaptados para tolerar o
acumular un elevado contenido de metales en su rizosfera y en
sus tejidos. El xito de este
taatamiento et. controlado por la selecin de las epecies
vegetale adeuadas para
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recuperar un suelo determinado, as como de la cuidada seleccin
de enmiendas (materia
orgnica, agentes quelant^, cal, etc.) que permiten mejorar las
propi^ades del suelo y
fomenten la supervivencia y el crecimiento de las plantas.3
i. Fitoestabilizacin, consiste en la reduccin de la
biodisponibilidad de los contaminantes
muante la revegetacin con especia vegetal^ tolerante a la
toxicidad que inactiven los
contaminantes para reducir el riesgo para el medio ambiente y la
salud humana e implica
una mejora mernica de las propi^ades fsicas del suelo y su
protrccin frente a la erosin
y el transporte de contaminante. Por su parte, la
Fitoinmovilizacin provoca la
La fitorremediacin e un tratamiento natural, limpio y econmico,
alternativo a otros
procesos fsicos y qumicos ms invasivos. Se pueden distinguir
cinco proceos bsicos de
contencin (fitoestabilizacin o fitoinmovilizacin) o eliminacin
(fitoextraccin,
fitodegradacin, fitovolatilizacin y rizofiltracin) de
contaminantes por los que las plantas
pueden ser empleadas en la recuperacin de suelos y aguas
contaminada (Figura N 3) . 10
* uml cio i t parrei
r e a i c o l e c h a b l e s
F I T O P H E M E ( H * C I O t i f M B . ' P l i t ; '
f l OOfA c r o s f i n i a n #4 r i a a 1# m
l O f t H i f
dOTi y /o f i t a t s . . ACiOJ
FITOEH P .CCiOTi
Figura N 3. Procesos bsicos de la Fitorrem^iacin. 10
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inmoviliracin y reduccin de la biodisponibilidad de los
contaminante mediante la
produccin de compuetos qumicos en la interfez suelo-raz que
inactiven las substancias
txicas, ya sea por procesos de absorcin/adsorcin o
prrcipitacin.
ii. Fitoextraccin, tambin llamada fitoacumulacin, emplea la
capacidad de las plantas
para exfraer el contaminante, principalmente metales, y
acumularlo en sus races, tallos u
hojas. Una vez terminado el proceo, las plantas son retiradas
junto con el contaminante y
destruidas o recicladas.
iii. Fitodegradacin, consiste en la degradacin de los
contaminantes por la accin de las
plantas y de los microorganismos asociados a ellas. Los
contaminante son metabolirados
dentro de los tejidos vegetales y las plantas producen enzimas,
como la dehalogenasa y la
oxigenasa, que ayudan a catalizar la degradacin. En el caso de
la Rizodegradacin o
Rizorrecuperacin, la degradacin tiene lugar alrededor de las
races de las plantas en
contribucin con las poblacione rizomicrobianas. Las races
liberan sustancias naturales
que suministran nutrientes a los microorganismos asociados como
bacterias, levaduras y
hongos, estimulando su actividad biolgica.
iv. Fitovolatilizacin, cuando los rboles y plantas absorben agua
contaminada con
compuestos or^nicos voltiles (COV), eliminando la gran mayora de
los COV en la evotranspiracin de las hojas.
v. Rizofiltracin, que produce la absorcin de metales pesados en
aguas contaminadas a
fravs de las rac^ de las plantas. Se reabran en invernaderos, a
m ^ida que la planta se va
saturando con ^ tos metales, la planta se va cortando y separado
para posterior tratamiento.
La fitorremediacin tambin se ha empleado para fratar p^ticidas,
solventes, explosivos,
hidrocarburos aromticos policclicos y crudo. La fitorrem^iacin
es un procedimiento
que no perturba en gran medida el suelo o el paisaje, ^ de fcil
aplicacin, aunque pr^enta
inconvenientes como que es un proceso lento, ^ t limitado a
suelos poco profendos, en
ocasiona las elevadas concentraciones de contaminantes pu^en ser
txicas para las
23
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plantas y requiere una buena gestin de la biomasa resultante
para impedir que los
contaminantes entren en la cadena frfica. Entre los quelantes
producidos por las planta se
encuentran los cidos orgnicos, particularmente cfoato, oxalato y
malato; algunos
aminocidos, principalmente histidina; tambin metalotionenas y
fitoquelatinas. Los dos
ltimos son los ms importante.3
1. Metalotionenas
Son polipptidos ricos en cistena, codificados genticamente. Se
conocen tambin como
protenas de bajo peso molecular, y tienen una marcada afinidad
por las formas inicas de
zinc, cadmio, mercurio y cobre. Estas protenas contienen largas
fraccione de residuos de
cistena y muestran alto contenido metlico con iones coordinados
en grupos metal-tiolato.
An no se ha determinado con precisin cul es la fondn biolgica de
las metalotionenas
en las plantas. Sin embargo, parece que estn involucradas en el
metabolismo y la
homeostasis de los metales vencales, ms que en la destoxificacin
de metales pesados.
2. Fitoquelatin^
Son pptidos ricos en cistena sintetizados enzimticamente. Se
derivan del glutatin y
consisten de slo tres aminocidos: cido glutmico, cistena y
glicina.
24
-
A pesar de los numerosos estudios realizados, no se puede
etablecer an con claridad cul
es papel de las fitoquelatinas. Sin embargo, se asume que su
principal fondn tiene que ver
con la destoxificacin de metales no esenciales y metaloides con
marcada afinidad por el
azufre. Igualmente, las evidencias sugieren que las
fitoquelatinas tambin estn
involucradas en la homeostasis de los metales eenciales
(micronutrientes), particularmente de hierro, cobre y zinc. Se sabe
que una amplia variedad de metala pu^en inducir la
formacin de fitoquelatinas, entre ellos el cadmio (Figura N 4),
nquel, cobalto, plomo,
plato, zinc, cobre, aluminio, arsnico, selenio, y mercurio. Sin
embargo, la quelacin de
metales por fitoquelatinas slo ha sido verificada para unos
cuntos elementos y en un
nmero r^ucido de plantas. En la Figura N 5 se representa
equemticamente el complejo
fitoquelatina - cadmio, que involucra cuatro fitoquelatinas con
tres cadenas de dipptidos,
en donde se puede apreciar que los residuos de cisterna se unen
a los iones de cadmio.
El mecanismo de destoxificacin de metales es ms complejo que una
simple quelacin. El
in puede activar la enzima fitoquelatina sintetasa, iniciando la
formacin de las
fitoquelatinas, las cuales lo acomplejarn y entonces
presumiblemente ser transportado a
las vacuolas, donde posiblemente formar una agregacin ms
compleja con sulfuras y
cidos orgnicos. Si las plantas no fabrican las fitoquelatinas,
los metales inhibirn su
crecimiento y consrcuentemente morirn.
La secuencia de eventos en el proceso de destoxificacin, as como
el quelante involucrado,
estar determinada tanto por el tipo de metal como por la especie
de la planto. As, las
plantas de Arabidopsis, una de las ms estudiadas, responden de
manera diferente cuando
son expuetas a zinc y nquel; el primero es acomplejado por las
metalotionenas, y el
segundo por las histidinas, demostrando que una misma planto
puede desplegar
mecanismos altemos de destoxificacin, dependiendo del metal.
La mayora de los estudios sobre fitoquelatinas y metalotionenas
se han concentrado en
plantas terrestres hiperacumuladoras de metoles y en plantas
cultivables de importancia econmica. Sin embargo, a pesar de ser
las ms estudiadas, an quedan muchas
interrogante por resolver sobre sus m ^^ism os de tolerancia y
destoxificacin. Algunos
25
-
autora sealan que an falta por responder el papel de la
fitoquelatinasintetasa y de las
fitoquelatinas en diferentes especies, y que el conocimiento de
las bas& molrcular^ de la
biosntesis de fitoquelatinas ser til para optimi^r el proceso de
la fitorremediacin. 11
Figura N 5. Representacin esquemtica del complejo
fitoquelatina-cadmio. 11
3. Plantas hiperacumuladora de metala p iados
Todas las plantas poseen un potencial para absorber una amplia
variedad de metala del
suelo pero la mayor parte de las plantas tienden solamente a
absorber los que son vencales
para su supervivencia y darrollo. Existe una notable excepcin de
esta regla de un
pequeo grupo de plantas que pu^en tolerar, absorber y translocar
altos niveles de ciertos
metales, tas plantas reciben el nombre de
hiperacumuladoras.12
Una definicin propone que si una planta contiene ms de 0.1% de
Ni, Co, Cu, Cr y Pb o
1% del Zn en sus hojas sobre una base del peso seco, sta puede
ser llamada una
hiperacumuladora, independientemente de la concentracin del
metal en el suelo. Las
primera plantas hiperacumuladoras caracterizadas son miembros de
las femilias
Brasssimceae y Fabaceae. El gran inters dpertado por 1^ plantas
hiperacumuladoras,
espialmente para destoxificar un ambiente contaminado, obliga
tambin a resolver otros
problemas relativos a otras disciplinas, hace hincapi en ello y
dtaca que, cuando se
intensifique la investigacin conjunta de diversos rampos como
botnica, fisiologa vegetal,
26
-
agronoma, qumica y gentica, probablemente se inicie un brillante
faturo para la
fitorremediacin. El entorno de las plantas hiperacumuladoras
revela la nrceidad de
impulsar mayores conocimientos multidisciplinarios que aumenten
la rentabilidad y
eficacia de dichas plantas; sus aplicaciones son interesantes en
muchas reas, y
particularmente importante en la proteccin del ambiente. 11
Ventajas
Es una tecnologa sustentable.
Es eficiente para taatar diversos tipos de contaminantes in
sito.
Tiene una versatilidad potencial para tratar una gama diversa de
materiales peligrosos.
No requiere personal esprcializado para su manejo ni consumo de
energa.
No produce contaminantes secundarios y por lo mismo no hay
necesidad de lugares para
desecho, se pueden rrciclar recursos (agua, biomasa y
metales).
Tiene una alta probabilidad de ser aceptada por el pblico, ya
que es hticamente
agradable.
Desventajas
Es un proceso relativamente lento (cuando las especies son de
vida larga, como rboles o
arbustos).
Es dependiente de las e tacione, los contaminantes acumulados en
las hojas pueden ser
liberados nuevamente al ambiente durante el otoo (especies
perennes).
La solubilidad de algunos contaminante puede incrementarse,
resultando en un mayor
dao ambiental o migracin de contaminantes.
Se requieren reas relativamente grandes.11
27
-
C. BIOT^ANSFO^MACIONDE M E T ^E S
Los microorganismos estn ntimamente relacionados con la
biogeoqumica de los metala
a travs de una serie de procesos que determinan su movilidad y
biodisponibilidad. La
interaccin entre microorganismos y mteles se puede examinar
desde dos puntos de vista
la influencia de los metales sobre la poblacin microbiana cmo
sus fondones y la
influencia adems el papel que juegan los microorganismos en la
transformacin de los
metales. Al contrario de los compu&tos orgnicos txicos, los
microorganismos no pueden
degradar metales o cualquier ofro compu&to inorgnico, pero s
pueden controlar su
esprciacin y fransformacin a formas menos txicas muante
mrcanismos de oxidacin,
reduccin, metilacin, dimetilacin, formacin de complejos,
biosorcin y acumulacin
intracelular. En consecuencia, estos proc&os controlan la
movilizacin o inmovilizacin de
metales en suelos y pueden ser utili^dos para realizar
tratamientos de biorrecuperacin.
Los microorganismos pueden movilizar metales a travs de lavado,
quelacin por
metabolitos microbianos y siderforos, transformaciones redox,
metilacin y consecuente volatilizacin. Dichos procesos pueden dar
lugar a la disolucin de compuestos metlicos
insolubles y mineral^, incluidos xidos, fosfatos, sulforos y
menas metlicas, y a la
desorcin de los metales de arcillas o materia orgnica del suelo.
As, determinadas
bacterias oxidante de hierro y/o azufre (Thiobacilliis
thiooxidans, Ihiobacillus
ferrooxidans, teptospirillum fernooxtans) obtienen energa a
travs de la oxidacin del
hierro ferroso y compuestos reducidos de azufre, acidificando
los suelos como consecuencia de la produccin de cido sulforico y
consrcuentemente solubilizando
sulforos metlicos y otros compuestos metlicos que pueden ser
eliminados de los suelos
por lixiviado.
La inmovilizacin microbiana de m etala en suelos se lleva a cabo
fondamentalmente a
fravs de los procesos de biosorcin y acumulacin infracelular, y
precipitacin. El trmino
de biosorcin se utiliza para d&cribir la acumulacin pasiva
de metales y elementos
radioactivos, solubles e insolubles, por materiales biolgicos
mediante mrcanismos de
intercambio inico, adsorcin y microprecipitacin. Adems, la
biosorcin tambin puede
28
-
proporcionar ncleos de cristalizacin para la formacin de
minerales atables.
Actualmente, los biosorbentes incluyen tanto a la biomasa
inactiva como a clulas activa y
biopolmeros y su tratamiento se suele realizar en biorreactores.
Las ventajas de utilizar
biom^a activa son que se renueva a s misma, que el transporte
intracelular puede dar lugar
a una mayor capacidad acumuladora de metales y que los productos
metablicos excretados
pueden contribuir asimismo a la eliminacin de los metala. No
obstante, el uso de biomasa
inactiva evita problemas de toxicidad, es ms barato que el uso
de la biomasa activa, su
biosorcin suele ser ms rpida porque se realiza en la superficie
de las membranas
celulares y no implica transporte dentro de la clula y la
recuperacin de los metales
adsorbidos es sencilla y no destructiva, mientras que la
recuperacin de los metales
acumulados denfro de clulas vivas slo se puede realizar en
muchas ocasiones cuando la
clula es desfruida. La eficacia de los mecanismos de biosorcin
depende de la
concentracin de los metales, de la temperatura, el pH y la
presencia de otros cationes y
aniones. Los organismos biolgicos utilizados como biosorbentes
son principalmente
bacterias, hongos y algas, y los ligandos qumicos implicados en
el secuestro de metala
incluyen grupos hidroxilos, carbonilos, carboxilos, aminas,
amidas, sulfihidrilos, tioteres y
fosfatos. Asimismo, estos microorganismos pueden producir una
serie de compuestos tales
como polisacridos, cidos folvicos y hmicos o polmeros
extracelularra que secuestran
metales como el Cr, Ni, Mo, Cd, Cu, Co y Zn.
Los microorganismos tambin pueden inmovili^r metales pesados a
travs su capacidad
para reducir estos elementos a un estado redox ms bajo,
generando esprcies metlicas
menos bioactivas y con claras aplicaciones en biorrecuperacin
(Figura N 6). En este
proceso, los microorganismos utilizan los metales como aceptores
de electrones y acoplan su reduccin a la oxidacin de cidos
orgnicos, alcoholes, H2 o compuestos aromticos,
con lo que rete proceso tambin p u ^ e contribuir a la
biodegradacin de compuestos
orgnicos txicos. La precipitacin microbiolgica de metala puede
ser tanto el raultodo
de la reduccin diferente microbiana, en la que la forma metlica
raultente termina en el
medio extracelular, como la consecuencia secundaria de proc^os
metablicos no relacionados con el metal en cuestin. Por ejemplo, el
Tecnecio Te (Vil) puede ser
reducido a su forma insoluble Te flV) directamente por Geobacter
sulfarneducens o bien
29
-
acoplado a la oxidacin de Hierro Fe (II) anteriormente
biorreducido. Hay diversos
organismos que pueden llevar a cabo la reduccin diferente de
metales como el uranio,
vanadio, selenio, cromo, trcnrcio, molibdeno, cobre, oro,
mercurio o plata. Geobacter
metallireducens, una de las bacterias pertenrcientes a la
familia Geobacter aceae,
considerados los microorganismos reductores metlicos ms
abundantes en la
subsuperficie, ^ capaz de conservar energa a partir de la
reduccin de U (VI) a U (IV) y
de V (V) a V (IV) y se ha comprobado que la estimulacin de la
actividad de Geobacter
aceae en la subsuperficie mediante la adicin de un donador de
elecfrones como el acetato
induce la precipitacin de estos metala en sedimentos
contaminados in situ. Las
perspectivas feturas en la biofransformacin de metales con
aplicacin en bionecuperacin
incluyen el avance en ingeniera gentica y la adaptacin de las
metodologas actuales a los
problemas de contaminacin reales a gran escala. 3
D. BIOVENTING
El bioventing ^ una tcnica in sitn de recuperacin biolgica que
implica la inyeccin a
travs de pozos de aire (u oxgeno) y, si es nectario, tambin de
nutriente para estimular la actividad microbiana biodegradadora
(Figura N 7). Este tratamiento utiliza los
microorganismos indgenas para biodegradar compuestos orgnicos
adsorbidos en los
30
-
suelos de la zona no saturada, al confrario que el proceso de
bios^rging que realiza lo
mismo pero en la zona saturada. El bioventing ^ parecido a la
extraccin de vapor del
suelo pero, a diferencia de este ltimo, ta ta de potenciar lo ms
posible la biodegradacin y
minimitar la volatilitacin de los contaminantes.
Cualquier sustancia biodegradable aerbicamente es susceptible de
ser tratada con
bioventing. En particular, esta tcnica, al igual que el
bios^rging, est especialmente
indicada para hidrocarburos del peleo, en especial de peso
mediano porque los ligeros
tienden a volatilizarse rpidamente y se tratan mejor con la
extraccin de vapor, mientras
que los hidrocarburos ms pesados tardan ms en biodegradarse. No
obstante, tambin ha
sido aplicada con xito para biodegradar explosivos como el DDT y
el DNT en condiciona
anaerobias utilitando hidrgeno como donador de entrones. Los dos
factores que
fendamentalmente controlan el fencionamiento de este sistema son
la permeabilidad del
suelo, que facilita el transporte de oxgeno, y la
biodegradabilidad del compuesto orgnico,
que determina la velocidad y grado de la degradacin. 3
Tambin es una prometedora tn ica que se utilita para estabilizar
o eliminar
contaminantes inorgnicos (cambio de estado de valencia, cambio
en movilidad) .12RCTo^ue de
Control deSoplador emisiones
Matriz de vratilaciiFigura N 7. Proceso de Bioventing. 12
31
-
E. LA N D F A M IN G
Se trata de un tratamiento de recuperacin biolgica practicado en
todo el mundo desde
hace un siglo, que reduce la concentracin de hidrocarburos del
petrleo de peso mediano
que no pueden ser eliminados por evaporacin pero que s pueden
ser degradados por
microorganismos. Generalmente, el suelo se excava y se extiende
en una delgada capa
(Figura N 8) sobre la superficie del lugar donde se est
realizando la recuperacin y se
estimula la actividad microbiana aerbica mediante aireacin y/o
adicin de nutrientes,
mineralre y agua La aireacin se consigue a travs de labranza o
arado del terreno. Es
frecuente la adicin de bacterias alctonas degradadoras de
hidrocarburos para acelerar el
proceso y la retimulacin de la actividad de los microorganismos
incrementa la
degradacin de los productos de petrleo adsorbidos. Este
tratamiento ha sido aplicado con
resultados prometedores en estudios piloto para degradar el
explosivo pero, dado que el
TNT y sus derivados son soluble, su aplicacin in sito requerira
un estricto control
hidrulico del agua infiltrada. Este proceso requiere que el
suelo ret bien mezclado para
aumentar la superficie de contacto entre los compuestos orgnicos
y los microorganismos,
y suficientemente oxigenado para que se produzca la
biodegradacin aerbica, pudiendo
aadirse nuevos aportes de suelo con hidrocarburos para su
degradacin y el mantenimiento
de la actividad biolgica. Este tratamiento presenta una serie de
limitaciones, generalmente
relacionadas con parmetros que puedan desacelerar la actividad
biolgica durante la
biodegradacin.13f T ik fte l d e p o li (o p c io n a D
deimcfbn
Figura N 8. Proceso de landfarm ing.13
32
-
F. BIOPILAS
El Andamento del biotratamiento ^ relativamente sencillo.
Consiste en potenciar la
biodegradacin de los hidrocarburos, que de forma natural se
produce en el suelo, como
consecuencia de la existencia de microorganismos autctonos
(bacterias, hongos, levaduras,
etc.) degradadores. Por lo tanto, para que el sistema tenga xito
hay que asegurar que los
suelos de forma natural presentan un adecuado volumen de
poblacin bacteriana y que las
condiciones ambientales dentro de la biopila son las adecuadas
(humedad, temperatura
entre 54 - 65 C, pH, contenido en nutrientes, toxicidad,
etc.).13
Los suelos contaminados con estos compuestos orgnicos son
apilados en montones o pilas
suc^ivas y se estimula la actividad microbiana aerobia mediante
aireacin y adicin de
nutrientes, minerales y agua, obteniendo la degradacin a travs
de la respiracin
microbiana (Figura N 9). La aireacin del material no se consigue
arando el terreno sino
forzando la circulacin de aire mediante su inyeccin o extraccin
a travs de conductos
perforados empleados dentro de la pila de material. Estas pilas
se suelen cubrir para
prevenir la escorrenta, la evaporacin y la volatilizacin y para
promover el calentamiento
por el sol. El periodo de tratamiento de esta trcnologa biolgica
es corto, puede durar
desde unas pocas semanas a unos pocos meses y adems de para
compuestos del petrleo,
tambin se puede utilizar para compuestos orgnicos voltiles
halogenados y no
halogenados, compuestos orgnicos semivoltiles y pesticidas.3
33
-
G. COM POSTAI
El compostaje es un proceso biolgico que consiste nuevamente en
estimular la actividad
biodegradadora, aerobia y anaerobia, de microorganismos indgenas
bajo condiciona
termoflicas que permita transformar compuestos orgnicos txicos
en sustancias inocuas.
Para ello, los suelos contaminados son excavados y mezclados con
residuos animales y
vegetales como abonos, estircol, paja, frozos de madera, etc.,
que proporcionan una
porosidad ptima y un balance adecuado de carbono y nigeno. El
calor generado
metablicamente con ^ te proceso es afrapado dentro de la matriz
del compostaje, lo que da
lugar a la elevacin de la temperatura caracterstica del
compostaje. Una vez que se ha
realizado la descomposicin microbiana, se produce un efecto de
enfriamiento debido al
descenso de la actividad microbiana cuando todo el carbono
orgnico presente ha sido
utilizado (Figura N 10). La eficacia del proceso biodegradador
se consigue controlando
parmetros como el contenido en oxgeno, humedad y temperatura.
Este tratamiento se
puede realizar sobre el terreno, con el material contaminado
apilado y aireado con bombas
de vaco, o en reactores. El compostaje termofilico aerbico se ha
visto que es eficaz para
reducir la concenfracin de explosivos (TNT, RDX y ^MX)
hidrocarburos aromticos
policclicos, hidrocarburos del pefrlro, clorofenoles y
pesticidas.3
Residuos orgnicos + 02 microorganismos C02 + H2O + Calor +
Compostaje
Figura N 10. Tratamiento de compostaje.5
34
-
H. LODOS BIOLGICOS
flKriiuicinde tleihJoi
Es otro tratamiento de biodegradacin en el que el suelo
contaminado & excavado,
tamizado para eliminar los elementos gruesos y mezclado con agua
y otros aditivos en un
biorreactor controlado. La mezcla del lodo r&ultante
mantiene a los slidos en suspensin
y a los microorganismos biodegradadores en contacto con los
contaminantes (Figura N
11). En estos biorreactores se controlan parmetros que pueden
limitar el crecimiento
microbiano en la naturaleza como la disponibilidad de
substratos, nutrientes y oxgeno, la
temperatura, el pH y la humedad. mismo, el p roejo de mezcla
facilita la
homogeneidad del material contaminado para evitar la
concentracin de los contaminante
en bolsadas. Adems de procesos de biodegradacin, tambin pueden
actuar mecanismos
de adsorcin/deorcin, disolucin/precipitacin, intercambio inico,
complejacin,
transferencia de oxgeno, volatili^cin y reduccin del tamao de
partcula. Las tasas de
biodegradacin dentro de estos biorreactores son rpidas, a veces
de menos de un mes. Se
suelen aadir oxgeno y nucientes, as como cidos o lcalis para
controlar el pH y
microorganismos no indgena si la poblacin autctona no es
suficientemente activa.
Cuando termina el proceso, el lodo & desecado mediante
filtoos, lechos secantes o
centrfegas y el suelo tratado es eliminado. Este sistema ha
r&ultado satisfactorio para
recuperar suelos contaminados con explosivos, hidrocarburos del
petrleo, petroqumicos,
solventes, pesticidas, etc.14
Trmi'iimt balayo
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Figura N 11. Esquema del sistema de biorrecuperacin m u an te
lodos biolgicos.
35
-
3.2.2. TRATAMIENTOS TRMICOS
A. INCINERACIN
Se frata de un tratamiento ex sito en el que los contaminantes
son destruidos mediante el
suministro de calor (Figura N 12). El suelo se somete a elevadas
temperaturas, alrededor
de los 1000 C, con el fin de oxidar y volatilizar los compuestos
orgnicos contaminante.
Este proceso genera gases y cenizas residuales, orgnicos
(hidrocarburos aromticos
policclicos y sulfarados, compuestos oxigenados, compuestos
aromticos nitrogenados,
etc.) e inorgnicos (mteles pesados voltiles, CO2, NOx, SOx) que
deben ser depurados.
Los hornos de combustin ms utili^dos emplean aire a alta
velocidad (Circulating Bed
Combustors y Fluidized Bed Combustors), infrarrojos (lnfrared
Combustors) y sistemas
rotativos (Rotary kilns) (USEPA, 1998). Est indicado para
recuperar suelos contaminados
con explosivos y residuos peligrosos, particularmente
hidrocarburos dorados, PCB y
dioxinas, aunque su reutili^cin es muy limitada porque este
tratamiento destruye la
estructura del suelo.3
Figura N 11. Esquema del proceso de incineracin.3
B. DESORCIN TRMICA
Se trata de otro tratemiento trmico ex sito en el que se somete
al suelo a unas temperaturas
ms bajas (90 - 320 C, desorcin trmica de baja temperatura; 320 -
560 C, d^orcin
trmica de alta temperatura) para conseguir la d^orcin en vez de
la d^fruccin de los
conteminantes que persigue la incineracin (Figura N 13). Las
temperaturas empleadas
36
-
estn elegidas para volatilizar contaminantes orgnicos pero no
para oxidarlos. En concreto,
durante la desorcin trmica de baja temperatura, el suelo retiene
sus propi^ades fsicas y
sus componentes orgnicos, lo que hace posible que pueda
conservar su capacidad para
soportar fatura actividad biolgica. Mediante la desorcin trmica
de baja temperatura se
pueden recuperar suelos contaminados con compuestos orgnicos
voltiles no halogenados,
combustibles y en a lanos casos compuestos orgnicos
semivoltiles. Mediante la
desorcin trmica de alta temperatura se pueden tratar las
sustancias anteriores adems de
hidrocarburos aromticos policclicos, PCBs, pesticidas y metales
pesados voltiles como
el Hg y el Pb (USEPA, 1994).3
3.2.3. TRATAMIENTOS MIXTOS
A. EXTRACCIN MULTIPLE
Consiste en extraer simultneamente in situ, mediante zanj^ o
pozos, sustancias
contaminantes que estn presentes en el suelo en fase vapor
(compuestos orgnicos
voltiles), fase lquida (en disolucin) y, esprcialmente,
compuestos no acuosos en fase
libre. De acuerdo con USACE (1999), la exaccin p u ^ e ser:
dual, con diferentes bombas a fravs de conductos separados; de dos
fases, con una bomba en un solo conducto; o se
puede emplear el bioslu^ing, una innovadora tcnica de
rrcuperacin que permite la
tie ^ cmiwmiM
AMHCHtKOM -PVICOUetrtTtON __A U M ^ ^ s
F ft T * 0 I>t M AN;GAS
CON T lit TI CONTINUO
RLTROre MAN ^
T IE ^ ^Chi btkea
Figura N 13. Proceso de Desorcin Trmica.7
37
-
extraccin de LNAP ligeros a la superfcie,junto con gas^ y p^ueas
cantidades de agua.
El bioslu^ing es una variante de la exttaccin de dos foses que
combina el bombm de
vaco para eliminar los compuestos en fase libre junto con cierta
cantidad de agua, la
extraccin del vapor del suelo que arrastra compuestos voltiles y
el bioventing, focilitando
la biorrecuperacin aerobia de hidrocarburos. Se frata de una
tcnica que se puede aplicar
en suelos de textura gruesa y fina y a profendidades del agua
subterrnea variables, de hasta
ms de 30 m, aunque ^ nectario que el material sea permeable, que
tenga un contenido en
humedad equilibrado (mucha humedad dificulta la permeabilidad
del aire y disminuye su
capacidad de transferir oxgeno, mientas que la escasa humedad
puede dificultar la
actividad microbiana) y que la temperatura no sea muy baja.
Puede requerir el posterior
tratamiento del agua y los gas^ extrados.3
B. A T E ^ A C I N N A T ^ ^ L
La atenuacin natural, tambin llamada recuperacin pasiva o
infrnseca, se est utilizando
cada vez ms dado que se frata de un mtodo de recuperacin de
suelos y aguas
conraminadas. No obstante, a pesar de que puede ser utilizado en
lugares muy variados,
raramente se suele aplicar de forma individual puesto que ^ un
tratamiento mucho ms
lento que los que utilizan Enologas ingenenles. De acuerdo con
la USEPA (1999), la
atenuacin natural consiste en utilizar procesos naturales para
contener la propagacin de la
conraminacin proc^ente de los vertidos qumicos y reducir la
concentracin y la cantidad
de los agentes txicos en las zonas contaminada. Los proc^os
natarales que se invocan
para la recuperacin son biolgicos, como la biodegradacin
aerobia, anaerobia y co -
metablica, y proc^os fsico-qumicos como la volatilizacin,
dispersin, dilucin,
desintegracin radioactiva, ^tabili^cin qumica y bioqumica,
precipitacin y sorcin en
partculas de materia orgnica y arcillas del suelo. El xito de
cada proceso de atenuacin
natural depender de las caractersticas geolgicas, hidrolgicas y
microbiolgicas de la
zona afectada.
L ^ reacciones y fransformaciones que tienen lugar durante los
procesos abiticos
dependen de 1^ propiedades fsico-qumicas del contaminante y del
suelo y, tanto para
38
-
sustancias inorgnicas como orgnicas, incluyen reacciona de
hidrlisis y oxidacin-
reduccin, formacin de dobles enlaces y de hidrohalogenacin.
Adems de la
biodegradacin de compuestos orgnicos, los microorganismos pueden
influir en la sorcin
de compuestos orgnicos y mteles en suelos y sus productos pueden
incluso actuar como
quelantes de metales en suelos contaminados. La atenuacin
natural se aplica
principalmente para tratar compuestos BTEX (benceno, tolueno,
etilbenceno y xileno) y
ms recientemente hidrocarburos clorados.3
3.2.4. TRATAMffiNTOS FISICOQ^MICOS
A. EXTRACCIN
Son tcnicas tpicamente aplicadas in siti que tienen como
objetivo separar los
contaminantes del suelo para su posterior tratamiento depurador.
Son tratamientos sencillos
que requieren que los suelos sean permeables y que las
sustancias contaminantes tengan
suficiente movilidad y no estn altamente adsorbidas en el suelo.
Segn con qu elementos se realice la extraccin, se habla de:
1. EXTRACCIN DE AIRE
Se emplea para exteaer los contaminantes adsorbidos en las
partculas de suelos no
saturados mediante su volatilizacin o evaporacin a travs de
pozos de exteaccin
verticales y/u horizontales que conducen el aire con los
contaminantes a la superficie.
All, pueden ser tratados en plantas epecializadas (generalmente
adsorbidos a carbono) o
ser degradados en la atmsfera de forma natural. La volatili^cin
de los contaminante
tambin se puede ver favorecida por prcticas como el arado, y el
riego puede confobuir a
la solubilizacin y desorcin de contaminante que pu^en ser
arrastrados a la superficie
por evaporacin (Figura N 14). Esta tcnica esfa indicada para
suelos contaminados con sustancias voltiles y semivoltiles como
hidrocarburos ligeros derivados del petrleo,
algunos disolventes no clorados, hidrocarburos aromticos
policclicos ligeros y
39
-
compuestos organoclorados voltiles. Sin embargo, no se
recomienda para hidrocarburos
pesados derivados del pefrlro, PCBs, dioxinas o metales. A vec^
se puede aumentar el
rendimiento de este tratamiento estimulando la extraccin de aire
con temperatura,
generalmente mediante la inyeccin de aire caliente.3
g ^
totemiento de gases
superficie del terrenopozos extraccin
rom per
a ire aire
srelo con^^mado
Figura N 14. Proceso de extraccin de aire.
2. EXTRACCION DE AGUA
Es una tcnica empleada principalmente para acuferos contaminados
que consiste en
extraer el agua contaminada del suelo y del subsuelo, tanto de
la zona saturada como de la
zona no saturada. Cuando se trate la zona saturada, el agua ^
bombeada a la superficie para
su posterior tratamiento, conocido con el trmino de Pump &
Treat. Cuando se busca actuar
sobre la zona no saturada, normalmente se hace una inyeccin
previa de agua, por gravedad o a presin, que arrasfre y lave los
elementos conteminantes del suelo y que los almacene
en la zona saturada para ser posteriormente bombeada a la
superficie. Esta inyeccin de
agua se puede ver reforzada con la adicin de disolventes o
compuestos qumicos que puedan favorecer la desorcin de los
contaminantes del suelo como tensoactivos, para
eliminar compu^tos orgnicos de baja solubilidad; hidrxido sdico,
para disolver la
materia orgnica del suelo; solventes soluble en agua como el
metanol; sustitucin de cationes txicos por catin^ no txicos;
agentes complejantes como el EDTA; cidos y
bas&, que d&orben mteles y algunos compuestos orgnicos y
sales; y agentes r^ucto r^
40
-
y oxidantes que incrementen la movilidad de los contaminantes.
De esta forma, el tipo de
suelo, su pH, la capacidad de intercambio catinico, el tamao de
partcula, la
permeabilidad, etc., son paramemos que determinan la eficacia de
la desorcin.
Normalmente, los sistemas de Pump & Treat se utilizan para
aguas subterrneas
contaminadas con compuestos orgnicos voltil^ y semi voltiles,
combustibles y metala.
Dependiendo del terreno, del tipo de contaminacin y de la
recuperacin que se quiera
realizar, la extraccin de agua se puede llevar a cabo mediante
pozos, a los que se 1^
acopla un sistema de bombeo para extraer grandes caudales;
drenes, que permiten una
mayor superficie de contacto con la zona contaminada y que son
empleados especialmente
en terrenos de baja permeabilidad; y ^njas de drenaje, tambin
utili^das en terrenos poco
permeables, con niveles freticos poco profondos y extraccin de
caudal^ ms pequeos.
En cualquier caso, una vez fratada, el agua extrada puede ser
parcialmente re-infifoada en
el suelo para contrarrestar efectos negativos de la extraccin
como la elevada bajada del
nivel fretico, el posible asentamiento del suelo, ecosistemas
daados por prdida de
humedad, etc. Este tratamiento es muy comn pero no ^ el ms
eficiente puesto que no es aplicable en terrenos fracturados o
suelos arcillosos, el agua no se descontamina totalmente
para su consumo humano y presenta limitaciones por el tiempo de
ejecucin.3
3. EXTRACCIN DE FASE LIBRE
Se aplica en suelos contaminados con hidrocarburos en fase
libre, situados por encima del
nivel fretico. Normalmente se extraen mediante pozos vertical^ a
los que fluye el
contaminante, a profondidades del nivel fretico superiores a 80
m, y que pueden extraer
slo la fase libre, la fase libre y agua simultneamente, o una
mezcla de ambos. Los
quipos que exfraen nicamente fose libre utilizan generalmente
bombas de skimmer
(bomba de aire), situadas a una profondidad que se corresponda
con la interfose agua-fose
libre, con un filtro en su interior que focilita el paso
selectivo de sustancias orgnicas en
foncin de su densidad. Los skimmers que separan hidrocarburos
ligeros foncionan con
esp^ores de la interfase agua-fose libre muy p^ueos, mientras
que los skimmers utilizados para separar hidrocarburos pesados
r^uieren un ^pesor mnimo de 3 cm. Los
sistemas de bombeo dual exfraen el agua y la fase libre
separadamente mediante dos
41
-
bombas diferentes situadas a distintas profendidades del pozo,
de forma que la bomba que
extrae el agua debe emplazarse por debajo de la interfase
agua-fose libre y la bomba que
extrae la fose libre por encima. La extraccin de fluidos
totales, que exfrae una mezcla de
agua y fose libre en casos de homogeneizacin del contaminante
con el agua o de espesores
muy pequeos de la fose libre en suelos poco permeables, utiliza
una nica instalacin de
bombro, bien sumergida o bien bombas de vaco instaladas en
superficie. Esta exfraccin
requiere la posterior separacin de las dos foses.
Otra tcnica que permite recuperar la fase libre en zonas poco
profondas o donde la
construccin de pozos presenta dificultad consiste en la
excavacin de una ^nja.
Generalmente se emplaza a una cota ms baja que la de la zona
contaminada, a la que fluye
la mezcla de agua y fose libre y donde se realiza un bombeo dual
de ambas foses por
separado o conjunto, que requiere su posterior separacin. Esta
metodologa debe tener en
cuenta la presencia de compuestos orgnicos voltiles susceptibles
de contaminar la
atmsfera, que deberan ser exfrados por aire como paso previo al
bombeo.La fose libre
extrada con ^ ta tcnica puede ser recuperada como hidrocarburo y
reutilizarse en
refineras o como combustible siempre y cuando tenga la calidad
suficiente.Exfraccin de
foses densas a lanos contam inte como los disolventes dorados,
algunos PCBs,
fenantreno, naftaleno y los fenoles son ms densos que el agua y
se acumulan por debajo
del nivel fretico, en la zona de contacto con los materiales
menos permeable subyacente.
Estas sustancie, poco soluble y difcile de degradar, pu^en
generar plumas de
contaminacin que ocupan grande volmene. Su extraccin se reali^ a
travs de pozos, a
veces inyectando disolventes en la zona contaminada que
favorezcan la circulacin de los
contaminantes hacia el pozo, y dependiendo del mtodo de
extraccin pueden ser extradas
en solitario con bombas de skimmer, mezcladas con el agua (con
la consiguiente
disminucin del rendimiento de la extraccin), o por bombeo dual
de am b^ foses por
separado. Como asprcto negativo, el bombeo de estos compuestos
densos ^ t asociado con
elevados consumos energticos.3
42
-
Extraccin con disolventes y cidos
Este tratamiento, aplicado ex situ, se basa en la exfraccin de
los contaminantes mediante la
mezcla en un tanque del suelo con un disolvente orgnico como
acetona, hexano, metanol,
ter dimetlico y trietilamina. El disolvente orgnico arrastra los
contaminante y se separa
del suelo por evaporacin, y mediante la adicin de nuevos
disolvente o destilacin los
contaminantes se eliminan para que el disolvente orgnico
empleado pueda ser reutilizado.
A su vez, el suelo tratado se lava para arrastrar cualquier
resto que pueda quedar del
disolvente. Con esta tcnica se obtienen muy buenos resultados
para eliminar compuestos
orgnicos como PCBs, COVs, disolventes halogenados, hidrocarburos
derivados del
petrleo y compu^tos organometlicos, aunque se debe de tener en
cuenta la posible
toxicidad del disolvente empleado y los residuos de su posterior
tratamiento para ser
reutilizado. De igual forma se utiliza el cido clorhdrico para
exfraer metales pesados de
suelos contaminados. El suelo, previamente tami^do para eliminar
las gravas, se mezcla
con el cido y cuando finaliza el tiempo de extraccin, el suelo
se lava con agua para
eliminar los restos de cido y metales. La solucin extractante se
puede reutilizar usando
agentes precipitantes de metales como el hidrxido sdico o cal.
Despu& del tratamiento,
se debe neutrali^r cualquier resto de cido en el suelo con la
adicin de cal o fertilrantes
(USEPA, 1990).3
B. LAVADO
El lavado de suelos ^ un tratamiento generalmente ex sint en el
que el suelo excavado es
previamente separado fsicamente por tamizado, densidad o
gravedad para eliminar las
partculas de grava ms gruesas, con poca capacidad de adsorcin,
de la fraccin fina y
seguidamente lavado con exfractantes qumicos que permiten
d^orber y solubilizar los
contaminantes (Figura N 15). Despus del fratamiento qumico, el
suelo se vuelve a lavar
con agua para eliminar los contaminantes y agentes extractante
residuales y se devuelve a
su lugar de origen. La eficacia de e te tcnica depende del grado
de adsorcin del contaminante, confrolado por una serie de
propi^ades del suelo como el pH, la textura, la capacidad de
intercambio catinico, la mineraloga o el contenido en materia
orgnica y
43
-
otros factores como el tiempo que hace que el suelo est
contaminado o la presencia de
otros elementos txicos.
GQtjlaniitfiiirfu
Figura N 15. Proceso de lavado de suelos.3
agente de la va to
lo d o s arcillosos y li^re^s parafraccin g r o ^ a r e ^ c h a
d a
:
flota dofde espumahu tac ir Imi Liarifii .irliif
tratam iento aguas
iag u a lim p ia
El lavado de suelos se utiliza fandamentalmente para suelos
contaminados con compuestos
orgnicos semivoltiles, hidrocarburos derivados del petrleo y
substancias inorgnicas
como cianuros y metales pesados, y & menos eficaz para
tratar compuestos orgnicos
voltiles y pesticidas. Las substancias extractantes utilizadas
pueden ser cidos, bases,
agentes quelantra, alcoholes, surfactantes y otros aditivos como
sales. Se ha visto que
agentes quelantes como el cido etilendiaminotefraactico (EDTA),
el cido cnico y el
cido nitrilotriactico (NTA), y otros cidos como el cido
clorhdrico son eficaces a la
hora de eliminar Cu, Pb y Zn de suelos contaminados. Asimismo,
los surfactantes
(compu^tos con una parte hidrofbica y una parte hidrofilica de
naturaleza catinica,
aninica y biolgica) son eficaces a la hora de separar los
compuestos no acuosos de fase
lquida del agua y compuestos derivados del petrleo.3
44
-
C. FLUSHING
El flushing es un ^atamiento in situ que consiste en inundar los
suelos contaminados con
una solucin que transporte los contaminantes a una zona
determinada y locali^da donde
puedan ser eliminados. As, los contaminantes son extrados del
suelo hacindole pasar
agua u ofias soluciones acuosas mediante un sistema de inyeccin
o infiltracin. El agua
subterrnea y los fluidos exfiactantes se capturan y bombean a la
superficie utili^ndo
pozos de extraccin, donde son tratados y, en ocasiona,
reciclados (Figura N 16). El
flushing se aplica a todo tipo de contaminantes, esprcialmente a
compuestos inorgnicos
incluidos los elementos radioactivos, y se suele combinar con
otros tratamientos como la
biodegradacin y el pump & treat. Asimismo, es difcil de
aplicar en suelos de baja
permeabilidad o ricos en elementos finos y requiere una
vigilancia estrecha para impedir
que los contaminantes migren en otra direccin distinta a la
deseada.
Figura N 16. Tratamiento in situ deflushing.3
D. ADICIN DE ENMIENDAS
Los suelos contaminados por sales o metala p iados pueden tambin
recuperarse in situ
aadindola sustancias orgnicas e inorgnicas y mezclndola con los
horizontes del suelo para transformar los contaminante. Entre las
etrategias de descontaminacin de
45
-
suelos salinos est la adicin de compuetos qumicos (o la
utili^cin de agua de riego)
que contengan Ca para que substituya al Na y el empleo de
reiduos or^nicos. Est
demostrado que la adicin de materia orgnica a suelos salinos
puede acelerar el lavado de
Na, disminuir el porcentaje de sodio intercambiable y la
conductividad elctrica e
incrementar la infiltracin de agua, la capacidad de retencin de
agua, la estabilidad
estructural, la biomasa del suelo y diversas actividades
enzimticas. Por otro lado, la
adicin de carbonatos, zrolitas, fosttos, minerales de hierro,
bentonitas, hidrxido clcico,
compost o levaduras tambin ha sido empleada a la hora de
inmovilizar y reducir la
biodisponibilidad de m etala txicos como el Pb, U, As, Zn, Ni,
Sr, Cu y Cd. Los
mecanismos de secuestro de metales en suelos por estas enmiendas
no se conocen por
completo. Aunque los experimentos en campo indican la eficacia
de estos ^atamientos de
inmovili^cin in situ, existen dudas sobre si estos mecanismos de
recuperacin son
permanentes o reversible en el tiempo. Si el tratamiento in situ
induce su efecto a travs de
un cambio de pH, dando lugar a una mayor precipitacin o
adsorcin, entonces una
reacidificacin del suelo podra aumentar de nuevo la
biodisponibilidad de los metales y su
toxicidad. Sin embargo, si 1^ enmiendas promueven el srcuestro
de metales en formas no
lbiles en suelo, atrapados en las estructuras de las arcillas o
complejados por enlaces
covalente, entonces la inmovilizacin de los metales puede ser
mucho ms duradera.3
E. BARRERAS PERMEABLES ACTIVAS
Esta novedosa tnica desarrollada en la ltima dcada, se basa en
la instalacin in situ de
una pantalla perpendicular al flujo de la pluma de contaminacin
a travs de la cual pasa el
agua subterrnea contaminada y cuyo material de relleno puede
adsorber, precipitar o
degradar bitica o abiticamente los contaminantes. Las barreras
que con ms xito se han
aplicado hasta el momento son las rellenadas con elementos
metlicos de valencia cero
(Figura N 17) como el hierro para la degradacin abitica mediante
procesos de
oxidacin-reduccin de disolvente dorados como el tricloroetano o
tetracloroetano,
metales tra ^ y radioactivos y contaminante inorgnicos como
nitratos y sulttos. Otras barreras favorecen la actividad de los
microorganismos del suelo para biodegradar
compuestos orgnicos txicos, empleando mezclas de nucientes y
substratos, en ocasiones
46
-
combinadas con barreras hidrulicas que dirijan el flujo
subterrneo. La adsorcin de
contaminantes se puede conseguir utili^ndo barreras de carbn
activo o arcillas y tambin
se ha observado la precipitacin de contaminantes inorgnicos como
el fsforo P en medios
eutrofizados y plomo Pb utilizando p^tallas de calcita.3
Figura N 17. Barrera permeable activa para eliminar metales
txicos del agua
subterrnea.10
F. INYECCIN DE AmE C O ^ ^ M D O
Tiene como objetivo separar los contaminantes disueltos en el
agua en forma de vapor. La
inyeccin in sito de aire comprimido a trav& de pozos
volatiliza los contaminantes
disueltos en el agua subterrnea y provoca su despl^m iento en
forma de vapor hacia la
zona no saturada, promoviendo tambin la biodegradacin al
aumentar las concentraciones
subsuperficiales de oxgeno. Posteriormente, el aire contaminado
que migra a la zona no
saturada debe ser e^rado y depurado en superficie, generalmente
con filtros de carbn
activo (Figura N 18). Al igual que en el caso de la extiaccin de
aire, esta tcnica ^ t
indicada para tratar suelos y aguas subterrneas contaminadas con
solventes clorados,
sustancias voltiles y semivoltil^ de bajo peso molecular como
xileno, benceno, tolueno, tetiacloruro de carbono, teicloroetano,
cloruro de metilo, etc. Para aplicar esta tcnica ^
n ^ ^a rio eliminar la fase libre ant^ de extaer el aire y no es
operativa en acuferos
47
-
confinados, donde los contaminantes no pueden desp l^rse hacia
la zona no saturada. Con
objeto de facilitar el movimiento del aire inyrcfado, el suelo
debe ser suficientemente
permeable y poco humectado y presenta el inconveniente de su
elevado consumo
energtico.3
aireatmosfrico
superfcie del te ra n o
CSmpiFMI
pozo de i ^ ^ c i n de aire
depurado
w ^ i a ^ r compresoraire-agua
ttafm ientode gases
^ z o de extraccin de aire
nivel fretico- i__
Figura N 18. Proceso de inyrccin de aire comprimido.
G. ELECTRORREMED1AC1N
La remediacin elrcfrocintica o elecfrorremediacin se ver en la
parte 4.
48
-
PARTE 4. TEORIA DE ELECTROCINETICA
APLICADA A LA REMEDIACION
DE SUELOS.
49
-
4.1. INTRODUCCIN
La actividad minera ha sido un factor primordial en el
desarrollo econmico del Per desde
la poca colonial hasta nu^tros das. Sin embargo, el desarrollo
de ^ ta indusfria ha ^tado
ligado a la produccin de diferentes tipos de residuos. Algunos
residuos son producto de la
trituracin y molienda del mineral, una vez que se han recuperado
los metales comercial^
mediante proc^os fsicos y qumicos. Consecuentemente, estos
pueden contener cantidades
variables de sulferos, minerales de concenfrados y residuos de
los reactivos utili^dos en el
proceso de beneficio. Los sulferos metlicos de los residuos al
estar expuestos a la
intemperie pueden oxidarse y liberar mteles y metaloides txicos
en el proceso conocido
como drenaje cido de minas, produciendo aguas con un bajo pH y
elevadas
concentraciones de sulfates. La exposicin no consolada a las
condiciones climticas
prevalecientes en el sitio de disposicin, puede dar lugar a una
dispersin de contaminantes
por medios fsicos (erosin, transporte elico y pluvial), o bien
una alteracin de los
residuos con la consecuente movilidad qumica (disolucin y
transporte en medio acuoso)
de elementos potencialmente txicos. Para el tratamiento de estos
sitios contaminados en
las ltima dcadas se han propuesto diversas tecnologas, que
dependen adems de los
factores ^pecficos del sitio y de las propiedades fisicoqumicas
del contaminante. Los
tipos de tratamiento se divide en tra grupos, biolgico,
fisicoqumicos y trmicos. Dentro
de los tratamientos fisicoqumicos, la remediacin electrocintica
(Figura N 19) tambin
conocida como elrctrorremediacin, es una tecnologa en desarrollo
que aprovecha las
propi^ades conductivas del suelo, cuyo objetivo es separar y
extraer contaminantes
orgnicos y inicos, de suelos, lodos y sedimentos, con el uso de
un campo elrctrico que
permite remover las esprcies cargadas (iones).14
La primera demosfracin exitosa del uso de la elrctrocintica para
la remediacin de suelos
se realiz en Holanda en 1986 (Van Cauwenberghe). En 1993, Ralofi
describi un proyecto
llamado Lasaba, que combina un proceso biolgico y uno
electroosmtico, en donde
capas alternas de bifenilos policlorados (PCB) se degradaron por
accin microbiana. Una
vez que los PCB se fragmentaron en molculas ms p^ueas, se aplic
electrosmosis
para fransportar las molculas haste un sitio de tatemiento.
Actealmente existen algunas
50
-
aplicaciones comerciales de elrcttorrem^iacin, desarrolladas en
los Estados Unidos. Se
han llevado a cabo pruebas de demostracin a escala piloto e
industrial por varias
instituciones: la Universidad Estatal de Luisiana,
Electrokinetics Inc., Geokinetics
Internacional Inc. y por el fostituto Batelle Memorial. La
corporacin Geokinetics ha
demostrado con xito su proceso de remediacin electrocintica in
sitot a trav& de cinco
estudios de campo en Europa (USEPA 1996).
En 1996, el programa DoDs de investigacin innovadora de negocios
y Electrokinetics Inc.,
desarrollaron un estudio demostrativo completo para extraer Pb
de un campo de la armada
de los Estados Unidos, en Luisiana. La Agencia de Prot^cin
Ambiental de los Estados
Unidos (USEPA) evalu los resultados de la prueba, encontrando
una disminucin
significativa en la concentracin de Pb (de ~ 4500 mg/kg a 300
mg/kg) en 30 semanas
(USEPA 1996).
T^nologas innovadoras. Son tecnologas de tratamiento
alternativas, cuyo nmero
reducido de aplicaciones limita la informacin acerca de datos
relativos a desempeo. En general, una tecnologa es considerada
innovadora cuando sus aplicaciones a gran escala
son limitadas. La aplicacin de ^ te tipo de tecnologas naci como
resultado de la
observacin de que los humedal^ (wetlands) removan, de manera
natural, metales
contenidos en aguas. Este tipo de tecnologas tiene gran
potencial para la remediacin de
suelos de manera ms efectiva en cuanto a costos y a su desempeo.
Las tecnologas
innovadoras en los Estados Unidos representan cerca del 20 % de
todas las tecnologas
usadas para la remediacin de suelos, siendo la ms frecuentemente
aplicada la
biorremediacin (11 % del total), seguida por la inundacin de
suelos (2 %) y el tratamiento
qumico (2 %). La fitorremediacin ^ una tecnologa innovadora, con
relativamente pocas
pero creciente aplicaciones.15
51
-
CitculMun
Arttorm*
de fluida d* fruida
1 .Ctodola
dlsolrarxtol nro^ ^ ^ i^ ^ ^ m ie r to d e la
disoluctocM
Figura N 19. Esquema de aplicacin de la tecnologa de remediacin
electrocintica. 15
4.2. CONCEPTOS BSICOS
Electrocintica, rama de la electricidad relacionada con el
movimiento de las cargas
elrctricas y magnticas que actan sobre ellas, nace con el
fecundo invento de la pila
voltaica y se complementa con el importante descubrimiento de
los fenmenos
electromagnticos.
La electrorremediacin, involucra la aplicacin de un campo
elrctrico en una matriz porosa
que generalmente se encuentra saturada con agua o algn
electrolito de inters, como e el
caso de los cidos orgnicos que presentan ciertas ventajas para
este tipo de procesos.
Como consecuencia de la aplicacin del campo elrcfiico, se
generan principalmente tres
fenmenos electrocinticas (Fig.20), estos son:
Electrosmosis, que repreenta el movimiento del lquido con
repecto a las superficie
slidas inducido por el campo elrcfiico. Esto se produce debido a
que en las superficies no equilibradas de las partculas del suelo
predominan las cargas negativas, y afiaen al lquido
hacia el ctodo, que se comporta como un gran catin.
52
-
Elecromigracin, es el mrcanismo primario de la remediacin,
tambin llamado migracin
inica, & el movimiento de especia inicas disueltas, que estn
presentes en el fluido del
poro, debido a la influencia de un campo el^trico.
Electroforesis, corresponde al desplazamiento de partculas
coloidales cargadas en
suspensin en un lquido. Tiene una importancia muy inferior a la
de los dos fenmenos
anteriores.
^ to A ^ SwloFigura N 20. Principales fenmenos que se presentan
en el suelo debido a la aplicacin de
campo elctrico.20
El conjunto de estos mecanismos provoca el desplazamiento de los
contaminantes bajo la
accin del campo elctrico. Los cationes van hacia el ctodo
mientras que los aniones lo
hacen hacia el nodo, y ambos son exttados posteriormente. El
procedimiento tiene la
ventaja de que apenas si resulta influenciado por la textura o
la permeabilidad del suelo,
factores limitantes de otras tcnicas.
La tcnica resulta de aplicacin, con buenos resultados, en el
caso de suelos con altos contenidos en metala pesados (Cu, Zn, Pb y
As), as como en el caso de la contaminacin
por compuestos orgnicos.
Los pasos de transformacin del contaminante dependen de las
&peci& qumicas y de las
condiciones del medio ambiente. No o b s^ te , la mayora de los
contamin^tes puede
ttansformarse a algunas de sus especies solubles. En el proceso
de elrctrorremediacin el
53
-
ambiente cido en el nodo favorece la d^orcin y disolucin de
metal, algunosionra
pueden existir como cationes o como complejos aninicos, sin
embargo el ambiente
generado al ctodo puede impedir la solubilizacin de los
contaminantes que contengan
iones metlicos. 1
4.3. PRINCIPIO DEL ^ T O D O
La electeorremediacin es una tecnologa para restaurar suelos
contaminados basado en la
generacin de un campo elcteico a partir de imponer corriente
directa. Para la aplicacin
de una diferencia de potencial, o una corriente dirrcta, se
r^uiere el empleo de electrodos
(nodo y ctodo), los cuales son colocados en pozos excavados en
el suelo, usualmente
estos se humectan con un electrolito para mejorar las
condiciones de conduccin del campo
elctrico. La accin del electrolito permite transportar el
contaminante hacia los pozos en
donde sera extrado. Al conteario del arrastre de fluidos, esta
tcnica permite establecer una
migracin dirigida, la cual evita la dispersin del contaminante
foera de la zona de
tratamiento (Fig.21).15
(C O )
MfnamoUrelum w to
(*) Anodo(-)&
Frrnto
Figura N 21. Esquema bsico del proceso de elrcteorremediacin,
las esprcies inicas migran por la accin del campo elctrico. El
Frente cido se forma en el nodo y migra
hacia el rtodo.
54
-
4.4. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ELECTRORREMEDIACIN
De los prrafos anteriores se podra asumir que la
electaorremediacin es una tcnica que
aparenta ser sencilla, sin embargo existen varios factores
fisicoqumicos que influyen en el
transporte de los contaminantes, y por ende en una efectiva
remediacin del suelo
contaminado; los factores de mayor importancia se explican a
continuacin.16
A. Potencial de Hidrgeno (pH)
Los cambios de pH promueven reacciona de los metala con otras
sustancias que se
encuentran en el suelo de forma natural, este factor regula la
movilidad de los
contaminantes en el p roejo de electrorremediacin. La hidrlisis
del agua produce una
disociacin que genera iones hidrgeno (H+) en el nodo e iones
hidroxilo ( OH) en el
ctodo, liberando oxgeno e hidrgeno respectivamente (Ec. 1 y
2).
HjO +2e".... E^+U3 V... (Q
Reaccin de hidrlisis que genera iones de hidrgeno en al nodo
+2e" 20H"+H> P = -4.83 V... (2)
Reaccin de hidrlisis que genera iones hidroxilo en el ctodo
E: Diferencia de potencial estndar en el electrodo.
La disociacin genera un pH cido cerca del nodo y alcalino cerca
del ctodo. Debido a la mayor movilidad del in H+ sobre el ion OH,
el frente cido viaja con mayor velocidad y
por lo tanto el flujo electaoosmtico se dirige preferencialmente
hacia el ctodo. En el caso
de existir metales adsorbidos, &tos son solubili^dos por el
frente cido y trasportados
hacia el rtodo. Cuando no se aplica lavado en los pozos, el
frente alcalino penetrar a una velocidad menor a la del frente cido
y cuando ambos frentes se encuendan, se genera una
zona en donde el pH cambia bruscamente (zona de taansicin),
dando como resultado una
frontera con un marcado cambio de pH (de 2 a 13 en menos de 0,5
cm), en esta zona los contaminantes se acumulan debido a que
frecuentemente precipitan como hidrxidos
55
-
metlicos. Drapus de un tiempo, se observa que el suelo se
acidifica, excepto en la regin
cercana al ctodo. Existiendo algunas exrepciones cu^do: (i) el
suelo es muy alcalino, (ii)
cuando existen sustancias amortiguadoras como fosfatos y
carbonatos, y (iii) cuando los
electrodos estn hechos de materiales reactivos (electrodos de
hierro). Una remocin
exitosa depender de mantener el contaminante inorgnico en
solucin evitando los
cambios sbitos de pH; en el caso de algunos contaminantes
orgnicos (como cidos y
fenoles, entre otros) las condiciones ptimas de remocin sern
aquellas en las que el pH
logra desplazar el equilibrio de disociacin de la sustancia
hacia la forma disociada.
B. CONTENffiO DE AGUA
El movimiento del electrolito por elecfrosmosis es foncin del
contenido de agua; por lo
tanto, el grado de saturacin del suelo es un rctor indispensable
para llevar a cabo el
proceso elecfrocintico. Una distribucin irregular de humedad en
el suelo contaminado
puede observarse durante la elrcfrorremediacin, ya que el
electrolito se mueve hacia uno de los electrodos, incrementando la
humedad en este y disminuyndola en el electrodo
confrario. Esta disminucin est asociada con el desarrollo de
pozos de presin negativos,
variaciones en el pH y por lo tanto en la foerza del campo
elcfrico, lo cual resulta en tasas
de flujo electroosmtico irregulares. Por tanto es nectario
mantener una humedad
adecuada agregando elecfrolito a la misma tasa elecfroosmtica a
la que es drenado del
sistema. Por otro lado, un contenido bajo de agua puede generar
la sequedad del suelo,
debido a efectos de calentamiento o al desarrollo de algunas
reacciones qumicas
exotrmicas.
C. CONDUCTIVIDAD ELCTRICA
La conductividad elctrica es diferente para cada tipo de suelo,
rar definida como la
capacidad de un medio o espacio fsico de permitir el paso de la
corriente elctrica. Para
conocer la conductividad el&frica de un suelo, es nrcesario
ponerlo en suspensin acuosa y
medirla con un conductmetro. La medida obtenida (Siemens) es el
inverso de la raistencia a la conduccin por centmetro de material,
la cual tiene una relacin emprica con la
56
-
concenfoacin de iones capaes de conducir la el^taicidad en
solucin acuosa (lpS/cm ~
0.52 a 0.64 ppm de sales, ASTM 1994). En el^trorremediacin, los
cambios de pH del
suelo modifican la conductividad global del medio por lo que se
forman perfiles de voltaje.
En algunos experimentos con suelos industaiales contaminados, la
conductividad del suelo
se incrementa con el tiempo, debido a la penetaacin de los
frentes cido y alcalino, as
como por la solubili^cin de las e sp ^ i^ inicas ya sea como
resultado de los cambios de
pH o por un aumento de temperatura.
D. POTENCIAL ZETA ()
Es la medida que determina la carga de un coloide (volts), en
fondn de la superficie
cargada y la naturaleza y composicin del medio en el que est,
suspendido; las sales
inicas que pueden solubilizarse totalmente en medios acuosos no
pueden ser clasificadas
como coloides ya que se encuentran en la fase continua y por lo
tanto su , es muy pequeo.
En la mayora de los suelos el potencial es negativo debido a que
la superficie del suelo
generalmente tiene carga negativa. Con el incremento de la
acidez disminuye su
negatividad y, en alanos casos, pueda alcanzar valores
positivos. Estos cambios afectan la
velocidad del flujo el^oosmtico, ya que se ha observado que la
tasa de flujo decrece
cuando el pH del el^trolito se acerca a la neutaalidad o se
incrementa la alcalinidad. En
trabajos donde se incluye una descripcin del efecto del pH sobre
el potencial^, se utiliz
kaolinita contaminada artificialmente; sin embargo no todas las
arcillas se comportan igual,
por ejemplo los suelos ilticos y bentnicos no muestran efectos
derivados de los cambios
en las concentraciones inicas del fluido saturante.
E. NATURALEZA Y QUMICA DEL SUELO
La elecorremediacin se ha probado exitosamente en ensayos de
laboratorio con