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Descontaminación de Suelos
DESCONTAMINACIÓN DE SUELOS:
TÉCNICAS BIOLÓGICAS
Francisco Martín Peinado
Departamento de Edafología y Química Agrícola
Facultad de Ciencias. Universidad de Granada
[email protected]
Descontaminación de Suelos
TÉCNICAS BIOLÓGICAS
Técnicas biológicas
In situ
- Bioventing
- Biorremediación
- Bioaumentación
- Fitorremediación
Ex situ
- Biopilas
- Compostaje
- Landfarming
- Lodos
Descontaminación de Suelos
Técnicas biológicas
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
Descontaminación de Suelos
Técnicas biológicas
VENTAJAS E INCONVENIENTES DE
TÉCNICAS IN SITU Y EX SITU
In situ
Ex situ
NO
SI
Costes económicos
BAJOS
ALTOS
Tiempo de ejecución
ALTO
BAJO
Uniformidad de tratamiento
DUDOSA
SI
Verificación de su eficacia
DIFÍCIL
FÁCIL
Alteración de estructura del suelo
Bioventing
Técnicas biológicas
En ocasiones las técnicas biológicas se acompañan de otras técnicas
físicas y químicas para completar el proceso de limpieza
Descontaminación de Suelos
PARÁMETROS CON MAYOR INFLUENCIA
Técnicas biológicas
Condiciones 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).
Descontaminación de Suelos
Técnicas biológicas in situ
BIOVENTING
CONCEPTO
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)
Descontaminación de Suelos
BIOVENTING
Técnicas biológicas in situ
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.
Descontaminación de Suelos
BIOVENTING
Técnicas biológicas in situ
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.
Descontaminación de Suelos
BIOVENTING
CASO PRÁCTICO
Técnicas biológicas in situ
Localidad: Base Fuerzas Aéreas Ogden, Utah (USA)
Origen: Enero 1985, vertido de 102 m3 fuel de avión JP-4
Contaminantes: Hasta 10.200 mg/kg de hidroc. tot. petr. (TPH)
Área contaminada: 1.625 m2 (6.600 m3 suelo)
Tratamiento: SVE seguido de BIOVENTING
Duración: 15 meses
Resultado 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 gases
Se extrajeron unos 95.700 kg de contaminante
Descontaminación de Suelos
Técnicas biológicas in situ
BIORREMEDIACIÓN
CONCEPTO
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)
Descontaminación de Suelos
BIORREMEDIACIÓN
Técnicas biológicas in situ
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)
Descontaminación de Suelos
BIORREMEDIACIÓN
Técnicas biológicas in situ
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.
Descontaminación de Suelos
Técnicas biológicas in situ
BIOAUMENTACIÓN
CONCEPTO
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)
Descontaminación de Suelos
BIOAUMENTACIÓN
Técnicas biológicas in situ
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.
Descontaminación de Suelos
BIOAUMENTACIÓN
Técnicas biológicas in situ
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 entre
los microorganismos y el contaminante)
- Altas concentraciones de contaminantes = toxicidad para orgs.
- Poco efectiva para contaminantes inorgánicos.
Descontaminación de Suelos
Técnicas biológicas in situ
FITORREMEDIACIÓN
CONCEPTO
Proceso que usa plantas para eliminar, transferir, estabilizar
y destruir contaminantes tanto orgánicos como inorgánicos.
DESCRIPCIÓN
Técnica a largo plazo (años)
FITORREMEDIACIÓN
Descontaminación de Suelos
Técnicas biológicas in situ
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))
FITORREMEDIACIÓN
Descontaminación de Suelos
Técnicas biológicas in situ
FITOEXTRACCIÓN (Fitoacumulación)
Biodisponibilidad:
Alta: Cd, Ni, Zn, As, Se, Cu
Moderada: Co, Mn, Fe
Baja: Pb, Cr, U (EDTA, Ac. Cítrico ∆ biodisp.)
Especie
Thlaspi caerulescens
Thlaspi calaminare
Haumaniastrum robertii
Haumaniastrum katangense
Ipomoea alpina
Thlaspi rotundifolum subsp.
Macadamia neutrophylla
Alyssum bertolonii
Berkheya coddii
Psychotria douarrei
Astragalus pattersoni
Iberis intermedia
Atriplex confertifolia
Pteris vittata
Elemento
Cd, Zn
Zn
Co
Cu
Cu
Pb
Mn
Ni
Ni
Ni
Se
Tl
U
As
Conc. (mg/kg)
3000, 10000
10000
10200
8356
12300
8200
55000
13400
17000
47500
6000
3070
100
22000
FITORREMEDIACIÓN
Descontaminación de Suelos
FITOEXTRACCIÓN (Fitoacumulación)
Técnicas biológicas in situ
COSTES
15 - 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.
FITORREMEDIACIÓN
Descontaminación de Suelos
Técnicas biológicas in situ
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.
FITORREMEDIACIÓN
Descontaminación de Suelos
Técnicas biológicas in situ
FITODEGRADACIÓN (Fitotransformación)
FITORREMEDIACIÓN
Descontaminación de Suelos
FITODEGRADACIÓN (Fitotransformación)
Técnicas biológicas in situ
COSTES
15 - 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.
FITORREMEDIACIÓN
Descontaminación de Suelos
Técnicas biológicas in situ
FITOESTABILIZACIÓN
CONCEPTO
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.
FITORREMEDIACIÓN
Descontaminación de Suelos
FITOESTABILIZACIÓN
Técnicas biológicas in situ
COSTES
15 - 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.
FITORREMEDIACIÓN
Descontaminación de Suelos
Técnicas biológicas in situ
FITOESTIMULACIÓN
CONCEPTO
Degradación de contaminantes orgánicos (plaguicidas,
PAHs y disolventes orgánicos) en el suelo por mejora de la actividad
microbiana 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.
FITORREMEDIACIÓN
Descontaminación de Suelos
FITOESTIMULACIÓN
Técnicas biológicas in situ
COSTES
10 – 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.
FITORREMEDIACIÓN
Descontaminación de Suelos
Técnicas biológicas in situ
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.
FITORREMEDIACIÓN
Descontaminación de Suelos
CASO PRÁCTICO
Técnicas biológicas in situ
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: Indeterminada
Tratamiento: Fitoextracción y fitoestabilización (mostaza india y
girasol, tres tratamientos; en parcelas de experimentación)
Duración: 7 meses
Resultado final: Reducción en algunas áreas de 635 a 478 mg/kg
Coste: no especificado
Observaciones: Suelos fertilizados y encalados para ajustar pH
Se instaló un sistema de riego y abonado foliar
En una parcela, la mostaza india llegó a adsorber
hasta 3252 mg/kg de Pb
Descontaminación de Suelos
Técnicas biológicas ex situ
BIOPILAS
CONCEPTO
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)
Descontaminación de Suelos
BIOPILAS
Técnicas biológicas ex situ
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).
Descontaminación de Suelos
BIOPILAS
Técnicas biológicas ex situ
COSTES
130 - 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).
Descontaminación de Suelos
BIOPILAS
Técnicas biológicas ex situ
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/kg
gasolinas 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 años
Resultado 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.
Descontaminación de Suelos
Técnicas biológicas ex situ
COMPOSTAJE
CONCEPTO
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)
Descontaminación de Suelos
COMPOSTAJE
Técnicas biológicas ex situ
APLICABILIDAD
- 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.
Descontaminación de Suelos
COMPOSTAJE
Técnicas biológicas ex situ
COSTES
150 – 180 – 220 $ (115 – 140 – 170 €) m3 suelo
Mezcla 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).
Descontaminación de Suelos
COMPOSTAJE
Técnicas biológicas ex situ
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/kg
VOCs, 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.
Descontaminación de Suelos
Técnicas biológicas ex situ
LANDFARMING
CONCEPTO
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)
Descontaminación de Suelos
LANDFARMING
Técnicas biológicas ex situ
APLICABILIDAD
- Hidrocarburos del petróleo (no VOCs), Combustibles, PCP y algunos
plaguicidas.
- Degrada, transforma e inmoviliza contaminantes.
- Recogida y tratamiento de escorrentías y lixiviados.
Descontaminación de Suelos
LANDFARMING
Técnicas biológicas ex situ
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).
Descontaminación de Suelos
LANDFARMING
CASO PRÁCTICO
Técnicas biológicas ex situ
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.
Descontaminación de Suelos
Técnicas biológicas ex situ
LODOS
CONCEPTO
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”.
DESCRIPCIÓN
Técnica a corto - medio plazo (semanas - meses)
Descontaminación de Suelos
LODOS
Técnicas biológicas ex situ
APLICABILIDAD
- Explosivos, PAHs, plaguicidas (primer tratamiento de SVOCs y VOCs
al 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.
Descontaminación de Suelos
LODOS
Técnicas biológicas ex situ
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).
Descontaminación de Suelos
Técnicas biológicas
COMPARATIVA DE MÉTODOS
Descontaminación de Suelos
Técnicas biológicas
COMPARATIVA DE MÉTODOS
Las más usadas:
In situ: Bioventing y Fitorremediación; Ex situ: Landfarming