DESCONTAMINACIÓN DE SUELOS: TÉCNICAS BIOLÓGICASedafologia.ugr.es/desconta/Bioremediacion.pdf · Técnicas bio l ógicas in situ Descontaminación de Suelos BIOVENTING COSTES 10

Descontaminación de Suelos

DESCONTAMINACIÓN DE SUELOS:DESCONTAMINACIÓN DE SUELOS:TÉCNICAS BIOLÓGICASTÉCNICAS BIOLÓGICAS

Francisco Martín Peinado

Departamento de Edafología y Química AgrícolaFacultad de Ciencias. Universidad de Granada

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TÉCNICAS BIOLÓGICAS

In situ- Bioventing- Biorremediación- Bioaumentación- Fitorremediación

Ex situ- Biopilas- Compostaje- Landfarming- Lodos

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TÉCNICAS BIOLÓGICAS

Estimulan el crecimiento de organismos en suelos contaminados, con el fin de degradarlos o extraerlos mediante la realización de

sus actividades metabólicas.

Se basan en la adaptación de los organismos al medio y en proporcionar condiciones adecuadas para su desarrollo

(nutrientes, humedad, pH, temperatura, etc.)

Se aplican a multitud de contaminantes orgánicos y a algunos contaminantes inorgánicos

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VENTAJAS E INCONVENIENTES DE TÉCNICAS IN SITU Y EX SITU

In situ

NO

BAJOS

ALTO

DUDOSA

DIFÍCIL

Ex situ

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ALTOS

BAJO

SI

FÁCIL

Alteración de estructura del suelo

Costes económicos

Tiempo de ejecución

Uniformidad de tratamiento

Verificación de su eficacia

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Bioventing

En ocasiones las técnicas biológicas se acompañan de otras técnicas físicas y químicas para completar el proceso de limpieza

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PARÁMETROS CON MAYOR INFLUENCIACondiciones aeróbicas: Favorecen la oxidación y la actividad biológica. Dependen de la textura del suelo, grado de saturación y condiciones redox.

Condiciones anaeróbicas: Puede degradar algunos contaminantes orgánicos (clorados) o impedir la oxidación de algunos minerales (sulfuros metálicos).

Agua: Medio de transporte de nutrientes y constituyentes orgánicos (absorción – secreción) al interior – exterior de los orgs.

Nutrientes: Se aplican para favorecer la actividad biológica (algunos metales pesados son también micronutrientes).

pH: Afecta la solubilidad y biodisponibilidad de muchos contaminantes.

Temperatura: Afecta la actividad biológica (problema en climas fríos). Se puede inducir calentamiento controlado (problema VOCs).

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ituDescontaminación de Suelos

BIOVENTINGCONCEPTO

Inyección (o extracción) forzada de aire para incrementar la concentración de oxígeno y estimular la biodegradación. Utiliza bajas tasas de flujo (diferencia con Soil Vacuum Extraction (SVE))

DESCRIPCIÓN

Técnica a medio – largo plazo (meses – años)

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BIOVENTING

APLICABILIDAD

- Hidrocarburos del petróleo, disolventes no clorados, algunos plaguicidas y otros orgánicos (fuels).- Favorece la degradación de VOCs por la lenta migración hacia zonas biológicamente activas del suelo.- Prometedora para estabilizar o eliminar contaminantes inorgánicos (cambio de estado de valencia, cambio en movilidad)

LIMITACIONES

- Zonas saturadas o de baja permeabilidad en el suelo.- Posible emisión de vapores (control y monitoreo)- Compuestos clorados (inducir ciclo anaerobio)- Baja humedad = baja activ. biol. = baja biodegradación.- Bajas temperaturas = ralentizan (no impiden) la remediación.

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BIOVENTING

COSTES 10 - 70 $ (8 – 55 €) m3 suelo

- Tipo y concentración del contaminante, y permeabilidad del suelo.- Espaciado y nº pozos.- Tasa de bombeo.- Tratamiento de gases emitidos.- Periodicidad del monitoreo.

- Técnica cada vez más utilizada, en especial junto a SVE

- Air Force Center for Environmental Excellence (AFCEE), demostraciones de bioventing en 135 lugares,

http://www.afcee.brooks.af.mil/er/ert/bioventing.htm.

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BIOVENTING

CASO PRÁCTICOLocalidad: Base Fuerzas Aéreas Ogden, Utah (USA)Origen: Enero 1985, vertido de 102 m3 fuel de avión JP-4Contaminantes: Hasta 10.200 mg/kg de hidroc. tot. petr. (TPH)Área contaminada: 1.625 m2 (6.600 m3 suelo)Tratamiento: SVE seguido de BIOVENTINGDuración: 15 mesesResultado final: TPH < 6 mg/kg (nivel referencia = 38,1 mg /kg)Coste: 90 $ m3

Observaciones: Suelo muy favorable (arenoso, gravoso)No se requirió incinerador catalítico de gasesSe extrajeron unos 95.700 kg de contaminante

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BIORREMEDIACIÓNCONCEPTO

Estimulación de la actividad de microorganismos del suelo (o inoculados) mediante la circulación de soluciones acuosas ricas en nutrientes o productos enmendantes y sautradas en oxígeno disuelto.

DESCRIPCIÓN

Técnica a largo plazo (años)

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BIORREMEDIACIÓN

APLICABILIDAD

- PAHs, non-halog. SVOCs y BTEX (contaminantes no extraíbles por volatilidad (SVE))- Degrada contaminantes orgánicos e inmoviliza los inorgánicos.- Efectiva en contaminaciones residuales (bajas concentraciones) y tras medidas de extracción, limpieza o remoción.

Aeróbica:Microorgs. + Contaminante = CO2 + H2O + Residuo celular

Anaeróbica:Contaminantes orgs. = Metano (CO2 + H2O + S- + N2)

(a veces el residuo puede ser más tóxico; ej: TCE = cloruro de vinilo)

Podredumbres blancas (hongos):Enzimas que degradan lignina. Aplicadas al TNT (laboratorio)

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BIORREMEDIACIÓN

COSTES 30 - 100 $ (25 – 80 €) m3 suelo

- Propiedades del suelo- Potencial de lixiviado del contaminante- Reactividad química (tendencia a reacciones no biológicas)- Biodegradabilidad del contaminante

LIMITACIONES

- Riesgo de contaminación de aguas subterráneas (infiltración)- Bloqueo de pozos de inyección nutrientes (colonización de orgs.)- Heterogeneidad del suelo (limita su efectividad)- Altas concentraciones de contaminantes = toxicidad para orgs.- Se requiere tratamiento del agua extraída.

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BIOAUMENTACIÓNCONCEPTO

Introducción en el suelo de organismos seleccionados, adaptados o genéticamente modificados para degradar contaminantes específicos.

DESCRIPCIÓN

Los tratamientos electroquímicos pueden mejorar los resultados

Técnica a medio - largo plazo (meses - años)

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BIOAUMENTACIÓN

APLICABILIDAD

- PCP, Lindano, DDT, 2,2-diclorofenol.- Degrada contaminantes orgánicos e inmoviliza los inorgánicos.- Descontaminación de campos de batalla (US Dep. Defense).

Organismos más usados:

Hongos: Fusarium oxysporium y Phanerochaete chyrysosoporium.

Bacterias: Pseudomonas cepacia y Pseudomonas putida.

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BIOAUMENTACIÓN

COSTES 25 - 105 $ (20 – 80 €) m3 suelo

- Propiedades del suelo (textura, permeabilidad, pH, CO, humedad, nutrientes).- Propiedades del contaminante (biodegradabilidad, reactividad química, solubilidad en agua).

LIMITACIONES

- Riesgo de contaminación de aguas subterráneas (infiltración)- Texturas finas o suelos heterogéneos (limitan el contacto entrelos microorganismos y el contaminante)- Altas concentraciones de contaminantes = toxicidad para orgs.- Poco efectiva para contaminantes inorgánicos.

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FITORREMEDIACIÓNCONCEPTO

Proceso que usa plantas para eliminar, transferir, estabilizar y destruir contaminantes tanto orgánicos como inorgánicos.

DESCRIPCIÓN

Técnica a largo plazo (años)

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ituDescontaminación de SuelosFITORREMEDIACIÓN

FITOEXTRACCIÓN (Fitoacumulación)CONCEPTO

Absorción de contaminantes (inorgánicos o radionucléidos) por plantas y traslocación / acumulación en raíz, tallo y/o hojas.

Plantas hiperacumuladoras: > 1000 mg contaminante / kg suelo.(algunas se usan con fines extractivos, minería (Ni, Cu))

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FITOEXTRACCIÓN (Fitoacumulación)

Biodisponibilidad:Alta: Cd, Ni, Zn, As, Se, CuModerada: Co, Mn, FeBaja: Pb, Cr, U (EDTA, Ac. Cítrico ∆ biodisp.)

EspecieThlaspi caerulescensThlaspi calaminare

Haumaniastrum robertiiHaumaniastrum katangense

Ipomoea alpinaThlaspi rotundifolum subsp.

Macadamia neutrophyllaAlyssum bertoloniiBerkheya coddii

Psychotria douarreiAstragalus pattersoni

Iberis intermediaAtriplex confertifolia

Pteris vittata

ElementoCd, Zn

ZnCoCuCuPbMnNiNiNiSeTlUAs

Conc. (mg/kg)3000, 10000

10000102008356

123008200

5500013400170004750060003070100

22000

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FITOEXTRACCIÓN (Fitoacumulación)

COSTES15 - 40 $ (10 – 30 €) m3 suelo

LIMITACIONES

- Profundidad efectiva escasa (< 0,6 m), densidad enraizamiento.- Lento crecimiento y biomasa escasa en muchos casos.- Adaptación de las plantas al medio contaminado (tolerancia).- Dificultad en contaminaciones polielementales (plantas distintas).- Condiciones climáticas.

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FITODEGRADACIÓN (Fitotransformación)CONCEPTO

Metabolismo o degradación enzimática de contaminantes orgánicos en el interior de la planta, transformándolos en no-tóxicos o disminuyendo su toxicidad (incluye la fitovolatilización).

Procesos:- Almacenaje de contaminantes en la planta (lignificación).- Degradación en CO2 y H2O.

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FITODEGRADACIÓN (Fitotransformación)

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FITODEGRADACIÓN (Fitotransformación)

COSTES15 - 40 $ (10 – 30 €) m3 suelo

LIMITACIONES

- Profundidad efectiva escasa (< 0,6 m), densidad enraizamiento.- Riesgo de entrada de contaminantes en la cadena trófica.- Uso de enmendantes o agentes quelantes para favorecer la absorción de los contaminantes (lixiviados).- Está en fase de investigación.

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FITOESTABILIZACIÓNCONCEPTO

Producción de compuestos químicos por las plantas para inmovilizar contaminantes en la interfase suelo – raíz.

Suele aplicarse en sitios moderadamente contaminados, cuando otros métodos de remediación fracasan.

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FITOESTABILIZACIÓN

COSTES15 - 40 $ (10 – 30 €) m3 suelo

LIMITACIONES

- Grado de contaminación del suelo.- Condiciones climáticas adversas.- Se deben controlar los lixiviados (solubilidad de contaminantes).- No extrae ni degrada contaminantes, sólo los inmoviliza.

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FITOESTIMULACIÓN

CONCEPTODegradación de contaminantes orgánicos (plaguicidas,

PAHs y disolventes orgánicos) en el suelo por mejora de la actividadmicrobiana en la rizosfera (biodegradación por rizosfera mejorada o rizodegradación).

Mecanismos en la rizosfera:- La exudación de compuestos mejora la activ. microbiana.- Oxigenación del suelo (transformaciones aeróbicas)- La biomasa radicular incrementa el CO disponible.- Las micorrízas (hongos) degradan contaminantes orgánicos.- Mejora del hábitat para poblaciones microbianas.

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FITOESTIMULACIÓN

COSTES10 – 150 (8 – 115 €) $ m3 suelo

LIMITACIONES

- Plantas tolerables y con denso sistema radicular.- Efectiva sólo en sitios con bajo grado de contaminación.- Está en fase de investigación.

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VENTAJAS

- Bajo coste.- Preserva el suelo (no destruye su estructura ni fertilidad).- Evita dispersión y lavado de contaminantes.- Inmoviliza o degrada contaminantes (orgánicos).- Efectiva para cont. Inorgánicos.- Aceptación social (ecológica).

INCONVENIENTES

- Lenta (años).- Producción de biomasa baja (densidad y longitud raíz).- Contaminación elevada = toxicidad de la planta.- Tratamiento de plantas, riesgo a la cadena trófica.- Condiciones climáticas adversas.

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CASO PRÁCTICO

Localidad: Ensign-Bickford Company, Simsbury, Connecticut (USA)Origen: 1996-97, quema y detonaciones al aire libre (OB/OD)Contaminantes: Hasta 4.000 mg/kg de Pb (media 635 mg/kg)Área contaminada: IndeterminadaTratamiento: Fitoextracción y fitoestabilización (mostaza india y girasol, tres tratamientos; en parcelas de experimentación)Duración: 7 mesesResultado final: Reducción en algunas áreas de 635 a 478 mg/kgCoste: no especificadoObservaciones: Suelos fertilizados y encalados para ajustar pH

Se instaló un sistema de riego y abonado foliarEn una parcela, la mostaza india llegó a adsorber hasta 3252 mg/kg de Pb

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BIOPILASCONCEPTO

Mezcla de suelo contaminados y suelo enmendados, y confinamiento en montones estáticos sometidos a aireación (inyección o vacío) y recogida de gases y lixiviado para su tratamiento.

DESCRIPCIÓN

Técnica a corto plazo (semanas - meses)

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BIOPILAS

APLICABILIDAD

- Efectiva para VOCs no halogenados y combustibles; efectividad variable para algunos VOCs halogenados, SVOCs y plaguicidas.- Incrementa la biodegradación favoreciendo las condiciones de humedad, temperatura, nutrientes, oxígeno y pH.- Impermeabilización completa de la pila (acompañar con técnicas de recogida y tratamiento de gases y lixiviados).

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BIOPILAS

COSTES130 - 260 $ (100 – 200 €) m3 suelo

LIMITACIONES

- Excavación del suelo = riesgo de liberación de VOCs.- Test previos de biodegradación del contaminante (cálculo de tasas de aireación y nutrientes).- Poco efectiva en compuestos halogenados y explosivos.- Uniformidad cuestionable (proceso estático, no mezcla periódica).

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BIOPILAS

CASO PRÁCTICO

Localidad: U.S. Army Fort Greely, Alaska (USA)Origen: Excavaciones en zonas de almacenaje (1991 – 1993)Contaminantes: SVOCs, VOCs, Fuels, BTEX (hasta 3000 mg/kggasolinas y 20,2 mg/kg BTEX)Volumen suelo : 15710 m3 filtrado y lavado, 13000 m3 tratado.Tratamiento: Fase I: Filtrado y lavado; Fase II: Biopilas; Fase III: procesado de contaminantes.Duración: 3 añosResultado final: Fuels < 100 mg/kg; BTEX < 10 mg/kg; (descenso medio del 85%) y > 95% en VOCs y SVOCs.Coste: Fase I: 26 $ m3; Fase II: 39 $ m3; Fase III: 22 $ m3.Observaciones: Tratamiento combinado y con mezcla periódica.

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COMPOSTAJECONCEPTO

Mezcla de suelo contaminado con materiales porosos y enmiendas orgánicas (serrín, paja, estiércol, restos vegetales) con el fin de promover la biodegradación (incremento de temperatura ).

DESCRIPCIÓN

Técnica a corto plazo (semanas - meses)

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COMPOSTAJEAPLICABILIDAD

- Explosivos y PAHs.- Mantener condiciones de oxidación (aireación), humedad (irrigación) y temperatura (54 – 65 ºC)- Métodos de aireación:

· Mezcla mecánica de montones (la más usada)· Estática, inyección o bombeo en pilas.· Agitación mecánica en contenedores.

- Controlar la emisión de VOCs y SVOCs.

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COMPOSTAJE

COSTES

150 – 180 – 220 $ (115 – 140 – 170 €) m3 sueloMezcla mecánica – Estática – Agitación mecánica

LIMITACIONES

- Requiere espacios grandes para su aplicación.- La excavación del suelo puede liberar VOCs. - Incremento importante de volumen (mats. enmendantes añadidos).

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COMPOSTAJE

CASO PRÁCTICO

Localidad: Dubose Oil Product Co. Cantonment, Florida (USA)Origen: Lugar de tratamiento y reciclaje residuos (1993 – 1994)Contaminantes: SVOCs (PAH), VOCs, BTEX (hasta 38,3 mg/kgVOCs, 576 mg/kg PAHs y 160 mg/kg PCP)Volumen suelo : 35400 m3 excavados, 12000 m3 tratados.Tratamiento: Compostaje, con recogida y tratamiento de lixiviados, inyección de aire e inoculación de nutrientes y humedad.Duración: 1 año (cada tanda (1300 m3 máximo) hasta 30 días)Resultado final: Limpieza de todos los contaminantes por debajo de los límites legales (PAH < 50 mg/kg; PCP < 37 mg/kg).Coste: 644 $ m3 (total de operaciones, incluido el compostaje).Observaciones: Tiempo estimado del compostaje, 7 meses.

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LANDFARMINGCONCEPTO

Disposición del suelo contaminado en capas lineales y remoción periódica para favorecer la aireación, también se mejoran las condiciones para estimular la biodegradación (humedad, nutrientes, etc.)

DESCRIPCIÓN

Técnica a medio - largo plazo (meses - años)

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LANDFARMING

APLICABILIDAD

- Hidrocarburos del petróleo (no VOCs), Combustibles, PCP y algunos plaguicidas.- Degrada, transforma e inmoviliza contaminantes.- Recogida y tratamiento de escorrentías y lixiviados.

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LANDFARMING

COSTES

150 $ (115 €) m3 suelo

LIMITACIONES

- Requiere espacios grandes para su aplicación.- La excavación del suelo puede liberar VOCs. - Incremento importante de volumen (mats. enmendantes añadidos).

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LANDFARMINGCASO PRÁCTICO

Localidad: Wood Pole Storage Area Vancouver, Washington (USA)Origen: Tratamiento y secado de residuos (desde 1939)Contaminantes: HPAHs (High molecular weight) y PCP (hasta 1500 mg/kg HPAHs y 500 mg/kg PCP)Volumen suelo : 3030 m3 tratados.Tratamiento: Cuatro series de tratamientos: Oxidación UV, peróxido, etanol (acondicionamiento y mejora) y nutrientes (biorremediación).Duración: 15 meses (tratamiento medio por capa, 84 días)Resultado final: Disminución media de la contaminación en un 80% (HPAH < 22 mg/kg; PCP < 21).Coste: 357 $ m3 (total de operaciones).Observaciones: La solución nutritiva a base de harina de pescado, alimentaba los microorgs. pero éstos no degradaban contaminantes, se sustituyó por un fertilizante nitrogenado.

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LODOSCONCEPTO

Mezcla de suelos contaminados con lodos, agua y aditivos, para favorecer la biodegradación al incrementar el contacto entre los microorganismos y el contaminante, dentro de un “bioreactor”.

Técnica a corto - medio plazo (semanas - meses)

DESCRIPCIÓN

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LODOS

APLICABILIDAD

- Explosivos, PAHs, plaguicidas (primer tratamiento de SVOCs y VOCsal excavar un suelo).- Biorreactores secuenciales aeróbicos/anaeróbicos, mejoran la remediación de PCB, algunos SVOCs halogenados y explosivos.- 1º Tamizar suelo; 2º Mezclar suelo con agua, arena y lodo; 3º Añadir oxígeno y nutrientes (a veces tb. microorgs.) 4º Filtrado y secado del suelo y tratamiento de resíduos.

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LODOS

COSTES

160 - 210 $ (125 - 165 €) m3 suelo

LIMITACIONES

- Tamizado previo del suelo (caro).- Problemática en suelos heterogéneos y arcillosos. - Filtrado y secado del suelo y tratamiento posterior de los contaminantes (caro).

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COMPARATIVA DE MÉTODOS

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COMPARATIVA DE MÉTODOS

Las más usadas:In situ: Bioventing y Fitorremediación; Ex situ: Landfarming

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