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MODELO DE LA ESTRUCTURA DEL PROYECTO DE TESIS (ANEXO 2)
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BIORREMEDIACIÓN DE SUELO CONTAMINADO CON HIDROCARBUROS APLICANDO LODOS DE PTAR
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN
TPH en el ambiente del suelo puede ocurrir a partir de tuberías reventones, deposición de
residuos después de la perforación de pozos petroleros y de gas, accidentes de tráfico,
fugas en los tanques subterráneos de almacenamiento, cultivo de la tierra y vertedero
incontrolado ( Chaineau et al., 2003 ). En retrospectiva, es interesante notar que una vez
se pensó que una cierta cantidad de TPH podría servir como fertilizante y estimular el
crecimiento de las plantas y de los animales ( Carr, 1919 , Murphy y Riley, 1929 y
Mackin, 1950 ). Y ( Kisic et al., 2009 ) concluyó que el suelo en cantidades por debajo de
5 g / kg de suelo de TPH, se degradan muy lentamente y, de acuerdo con los resultados
de la investigación disponibles, no son perjudiciales para los cultivos. La Biorremediación
de suelos contaminados con productos derivados del petróleo es una tecnología que
puede restaurar los suelos degradados. El uso de materiales reciclables, como lodos
municipales estabilizado estimula el crecimiento de las plantas en la tierra contaminada de
petróleo crudo es una sencilla gestión conjunta sostenible de los residuos ( Masu et al.,
2014).
I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 Determinación del problema
La contaminación del suelo por hidrocarburos ocurre durante su explotación,
transporte y por rupturas de los ductos; los derrames de estos combustibles
ocasionan graves problemas sobre todo si el suelo es permeable porque la
contaminación puede extenderse rápidamente (Saval, 1998). A nivel mundial, el
volumen de derrame de petróleo es de 1.7 a 8.8 millones de toneladas métricas
por año (Leahy y Colwell, 1990) y en nuestra región (Pacífico Sudeste) es de 6000
toneladas métricas al año (Ramorino, 1989). Actualmente en Perú la producción
de Hidrocarburos (petróleo, Líquido de gas natural y gas natural) durante los años
2012 y 2013 incrementó desde 342 MBOED (miles de barriles equivalentes de
petróleo diarios) en el año 2011 a 370 MBOED a octubre 2013; esto equivale a
8.2% de incremento (Ministerio de Energía y Minas); es decir que la explotación y
exploración de Hidrocarburos va en aumento y con ello el daño al medio ambiente,
es así que desde 1978 se registran derrames de petróleo y uno de ellos fue lo
ocurrido en al año 2000 en el rio Marañón que afecto la Reserva Pacaya-Samiria,
pero no sólo derrames mayores causan contaminación sino también los
constantes derrames accidentales en suelos de nuestra selva, los que se producen
por el rompimiento del oleoducto Norperuano, debido a accidentes naturales y por
la actividad extractiva (Merino, 1998).
1.2 Formulación del problema
Se podrá recuperar los suelos contaminados con petróleo crudo mediante el
método de la biorremediación aplicando 10% lodos de PTAR hasta por debajo de
la ECA suelos?
1.3 Objetivos de la investigación
Objetivo general
Contribuir con la solución de la contaminación de suelo por derrame de petróleo
crudo generado por las actividades de explotación y exploración de Hidrocarburos.
Objetivo específico
Diseñar un modelo piloto del sistema de tratamiento de biorremediación de suelos
contaminados con hidrocarburos mediante la bioestimulación con lodos de PTAR,
para las pruebas experimentales de remoción de contaminantes.
Demostrar que el tratamiento de suelos contaminados con hidrocarburos mediante
el sistema de biorremediación con lodos de PTAR es eficiente.
Demostrar que el tratamiento de biorremediación con lodos de PTAR puede
remedia el suelo contaminado por hidrocarburos hasta por debajo de la ECA suelo.
1.4 Justificación
Justificación teórica
La contaminación del suelo por hidrocarburos del petróleo es uno de los problemas
ambientales más comunes en el mundo (US EPA 2000). Hidrocarburos totales de
petróleo (HTP) son uno de los grupos más comunes de los contaminantes
orgánicos persistentes (Huang et al. 2005). Los contaminantes presentes en los
suelos pueden entrar en la cadena alimentaria y afectar gravemente a la salud
animal y humana (Khan 2005) y han reducido considerablemente su capacidad
natural para sostener a una gran variedad de organismos, restringiendo su
capacidad original a tan sólo algunas bacterias oleofílicas, dejando los suelos
inutilizables para cualquier tipo de actividad productiva que se quiera realizar
(Guerrero, 2002). Por lo tanto, las soluciones adecuadas para la eliminación o
control de estos contaminantes del suelo pueden ser Métodos físicos y químicos
son adecuados para la descontaminación de áreas relativamente pequeñas,
mientras que son muy caros de usar en grandes áreas, tales como los
contaminados por sustancias industriales, productos derivados del petróleo y los
yacimientos mineros (Chekol et al. 2004; Escalante-Espinosa. et al 2005). La
biorremediación es una tecnología relativamente nueva, eficiente, ecológica y
prometedora para eliminar muchos contaminantes tales como hidrocarburos
contaminantes.
Justificación práctica
La biorremediación, mediante la aplicación de bioestimulado con los Lodos de
PTAR, constituye en una técnica de bajo costo por el acceso al insumo
remediador. Si se logra llevar a nivel no solo de laboratorio, si no de manera
industrial y funcional; será un logro importante, pues existen gran cantidad de
suelos contaminados por hidrocarburos.
Justificación metodológica
La metodología a emplear es del tipo experimental, ya que se tiene muestra de
suelos contaminados por hidrocarburos, a las que se les va a remediar mediante el
método de biorremediación con bioestimulado con lodos de PTAR, con un
tratamiento de 10% lodos de PTAR y como indicador se va medir los HTPs.
Justificación económica
Existen muchos métodos de remediación de suelo físicos y químicos pero los
costos son muy altos si se quiere emplear a gran escala, por lo que es necesario
buscar métodos de bajo costo y fácil acceso, como el que empleamos en este
trabajo lodos de PTAR.
II. MARCO TEÓRICO
2.1 Antecedentes del estudio
En el Perú, la normativa ambiental relacionada al manejo de los hidrocarburos de
petróleo en nuestro país es propuesta por el Ministerio de Energía y Minas (MEM),
autoridad ambiental competente para las actividades del sector hidrocarburos
competente para las actividades del sector hidrocarburos de acuerdo al D.S. Nº
053-99-EM del 28 de setiembre de 1999. La Ley Orgánica de Hidrocarburos Ley #
26221 del 13 de agosto de 1993, y sus normas modificatorias (Ley # 26734 del
31/12/96 y Ley # del 07/12/2000), es la norma base que regula las actividades de
hidrocarburos en el territorio nacional. El artículo 872 de esta ley establece que las
personas naturales o jurídicas que desarrollen actividades de hidrocarburos
deberán cumplir con las disposiciones sobre protección al medio ambiente, las
cuales se detallan en el Reglamento de Protección Ambiental de las Actividades
de Hidrocarburos -D.S. N 046-93-EM (12)11/93) y normas modificatorias (D.S. #
009-95-EM del 13/05/95, D.S. # 053-99-EM del 27/09/99 y D.S. # 003-2002- EM
del 27/01/02).
El MEM a través de su “Guía Ambiental para la Restauración de Suelos en
Instalaciones de Refinación y Producción Petrolera” y su “Guía para el Manejo de
Desechos de las Refinerías de Petróleo” también recomienda el empleo de
diferentes técnicas para la recuperación de suelos contaminados con
hidrocarburos, entre las que se encuentran las técnicas biológicas, como la
biorremediacion, fitorremediación, así como la técnica de landfarming.
Cooney et, al. (1985), afirma que el petróleo es una mezcla altamente compleja
compuesta por una gran variedad de hidrocarburos. Los hidrocarburos son
compuestos orgánicos formados solamente por hidrogeno y carbono, tanto el
petróleo crudo como sus derivados contienen diversos tipos de hidrocarburos
cuyas proporciones relativas varían entre las diferentes clases de estos
compuestos.
2.2 Marco teórico o marco conceptual o marco filosófico (según sea el caso)
Hidrocarburos
Espinoza, (2011). Los hidrocarburos son compuestos orgánicos formados
únicamente por átomos de carbono e hidrogeno. La estructura molecular consiste
en un armazón de átomos de carbono a los que se unen los átomos de hidrogeno.
Los hidrocarburos son compuestos básicos de la de la química orgánica. Las
cadenas de átomos de carbono pueden ser lineales, ramificadas, abiertas y
cerradas.
Escalante, (2000). El hidrocarburo de petróleo crudo y sus productos refinados
pueden dividirse en cuatro grupos: hidrocarburos alifáticos, hidrocarburos cíclicos,
hidrocarburos aromáticos y compuestos orgánicos polares.
Los hidrocarburos alifáticos o de cadena abierta se dividen a su vez en tres
grupos, en función del enlace entre dos átomos de carbono: alcanos (enlace
simple), alquenos (enlace doble) y alquinos (enlace triple). Los compuestos
alifáticos más comunes son los alcanos, los cuales pueden encontrarse en el
petróleo crudo conformando cadenas de cinco a más de treinta y cinco átomos de
carbono.
Los hidrocarburos cíclicos son también componentes comunes del petróleo y
pueden tener estructuras mono cíclicas, bicíclicas o de más anillos. Los
hidrocarburos aromáticos incluyen compuestos mono aromáticos como el
benceno y el tolueno, y compuestos poliaromáticos como el pireno. En éste grupo
se encuentran los hidrocarburos aromátícos policíclicos (HAP), moléculas
formadas por múltiples anillos aromáticos representan entre el 0,2 al 7% del
petróleo crudo. Los HAP poseen una limitada solubilidad en agua, se absorben
fuertemente al suelo y se degradan a velocidades menores que los hidrocarburos
mono aromáticos.
Impacto de los hidrocarburos en el suelo.
El suelo es un cuerpo natural que es parte integrante del escenario donde ocurren
los ciclos biogeoquímicos, hidrológicos y de la cadena alimentaria. Asimismo, es el
espacio donde se realizan actividades agrícolas y ganaderas, y es la base para el
establecimiento de áreas verdes. El suelo es un recurso natural complejo,
dinámico y su equilibrio depende de la interacción entre sus propiedades físicas,
químicas y biológicas.
Escalante, (2000). Los factores que afectan la distribución de los hidrocarburos en
los suelos son principalmente el volumen del derrame, la viscosidad del petróleo a
la temperatura prevaleciente en el ambiente y la composición del suelo. Los
compuestos de alta viscosidad como el crudo pesado tienden a moverse
horizontalmente, mientras que la gasolina y aceites de baja viscosidad penetran
fácilmente en el suelo. El paso de los hidrocarburos a través de la matriz del suelo
(lixiviación) depende a su vez de la textura del suelo y la solubilidad de los
hidrocarburos en agua. En suelos arcillosos la migración de partículas es más
rápida que en suelos francos, dado que los primeros tienen una mayor porosidad
(Morgan et al., 1989). Además, en suelos muy arcillosos las moléculas polares
pueden ser adsorbidas. Menos del 5% de los compuestos del crudo o productos
refinados (principalmente aromáticos de bajo peso molecular e hidrocarburos
polares) son solubles en agua (Escalante, 2000).
Luego, gran parte de los hidrocarburos queda retenida en el suelo. La actividad
microbiana transforma los hidrocarburos en metabolitos más solubles y por lo
tanto más móviles en el suelo, favoreciendo su solubilización y lixiviación.
Factores del proceso de remediación.
Los principales factores que determinan el proceso de degradación son:
o pH
Para mantener el crecimiento de los microorganismos degradadores de
hidrocarburos, el pH del suelo debe tener valores en el rango de 6 - 8 (USEPA,
2003). Valores de pH mayores a 6,5 minimizan la solubilización y migración de los
metales pesados y proveen las condiciones óptimas para la biodegradación. Si los
suelos tuvieran valores de pH muy bajos se sugiere emplear cal como material
encalante.
o Temperatura (T)
La temperatura tiene una influencia importante en la tasa de degradación de los
hidrocarburos, debido a que el crecimiento y la actividad metabólica de los
microorganismos están en función de la misma. La USEPA (2003) indica que en el
rango de 10 a 45°C, la actividad microbiana se duplica cada 10 °C, siendo el rango
óptimo para el proceso de biorremediacion.
Importancia de los microorganismos en la descomposición de materia orgánica.
Existen microorganismos en el aire, en el suelo, en nuestros intestinos, en los
alimentos que consumimos, en el agua que bebemos. Los microorganismos
existentes en la materia orgánica (Estiercol y aserrines) restablece el equilibrio
microbiológico del suelo, mejorando sus condiciones físico-químicos,
incrementando la reducción de la contaminación del suelo, incrementando la
producción de cultivos y su protección. Así mismo aumenta de la velocidad y
porcentaje de germinación de las semillas, por su efecto hormonal, similar al del
ácido giberélico.
Las bacterias del genero pseudomonas spp, son un grupo de microorganismos
independientes y autosuficientes.La pseudomonas spp, son microorganismos
benéficos de origen natural.
Estas bacterias sintetizan substancias útiles a partir de las secreciones de las
raíces, materia orgánica y/o gases nocivos (sulfuro de hidrogeno), usando la luz
solar y el calor del suelo como fuentes de energía.
Lodos activados
Material que consiste, sobre todo, de protozoarios y bacterias; se usa para el
tratamiento de las aguas residuales. Cuando se mezcla con las aguas residuales
que han sido aereadas, dichos organismos degradan la materia orgánica presente
y la utilizan como alimento; de esta manera se multiplican y producen más lodos
activados.
Técnicas de recuperación de suelos contaminados
Uno de los problemas ambientales más importantes es la contaminación de
ecosistemas terrestres por derrames de hidrocarburos del petróleo y sus
derivados, los cuales ocurren por explotación y transporte de los mismos (Pardo
et al., 2004). Las técnicas de remediación representan el conjunto de operaciones
que alteran la composición de una sustancia peligrosa o contaminante a través de
acciones químicas, físicas o biológicas, de manera que se reduzca su toxicidad, su
movilidad, y el volumen del material contaminado (Harrison, 1999).
El tratamiento de suelos contaminados se realiza mediante métodos ex situ e in
situ. El uso del método depende de las condiciones del área contaminada, el
volumen de suelo y espacio necesario para aplicar la técnica adecuada. En el
tratamiento ex situ el suelo se excava y se transporta, y su manejo es controlado
durante corto tiempo; sin embargo, su costo es más elevado (Volke y Velasco,
2002). Dentro de los tratamientos que destacan se encuentra la incineración a
1,000 °C ó 2,500 °C, en suelos que se encuentran severamente contaminados con
dioxinas. Además, la solidificación es una técnica que comúnmente se hace con
cemento u otros agentes aglomerantes, y se utiliza principalmente para metales
pesados (Harrison, 1999). Algunos suelos son transportados a una planta de
limpieza o a un biorreactor. El suelo se lava con un producto extractor
(generalmente es un ácido, un agente de formación de quelatos o un surfactante)
para eliminar determinados contaminantes orgánicos e inorgánicos. Los
biorreactores disponen por lo general de un recipiente en el que se puede agitar
una suspensión de suelo y agua, que se somete a las mejores condiciones para la
degradación de contaminantes orgánicos. Generalmente, los organismos ya
existentes en los biorreactores son suficientes para llevar a cabo la degradación;
sin embargo, también se pueden inocular microorganismos alóctonos (Castillo et
al., 2005).
Además, la biodegradación se puede lograr al extender el suelo en camas o en
pilas denominadas biopilas, en una zona en la que se maneja fácilmente y
permanezca a una temperatura constante (Gómez, 2004).
El método in situ corresponde a tratamientos que no requieren excavación y
transporte del suelo, por lo que sus costos son menores (Harrison, 1999;
SEMARNAT, 2010), y está representado por tratamientos físicos, químicos y
biológicos (Cuadro 3.1). Dentro de los métodos físicos o químicos destacan los
siguientes tratamientos:
o Lavado.
El lavado del suelo puede realizarse estableciendo sistemas de riego por
aspersión que permitan irrigar el suelo con diferentes soluciones extractantes que
pueden ser ácidos diluidos o agentes quelantes para lavar metales pesados. Los
lixiviados son llevados a una laguna en donde se extrae el contaminante por medio
de resinas intercambiadoras de iones, quelatación, o por precipitación (Volke et al.,
2005).
o Aplicación de vapor al suelo.
Este tratamiento se aplica a suelos contaminados con compuestos volátiles, y es
solamente válido para suelos con una permeabilidad relativamente alta,
macroporosidad elevada y/o fisuras. El tratamiento inserta un sistema de tuberías
en el suelo contaminado de modo que permita la entrada de aire a través del suelo
mediante el uso de una bomba de vacío. El aire extraído contiene los compuestos
volátiles y posteriormente, se hace pasar a través de una columna de carbono
activado en la que se absorben los contaminantes orgánicos (Volke y Velasco,
2002).
Por su parte, los métodos biológicos más usados hoy en día para la recuperación
de suelos contaminados con sustancias químicas orgánicas e hidrocarburos de
petróleo corresponden a la biorremediación y la fitorremediación.
Biorremediación
La biorremediación de sitios contaminados es una opción que representa ventajas
con respecto a los métodos físicos y químicos, debido a que es de bajo costo,
beneficia al ambiente, y requiere de un mínimo o ningún tratamiento posterior
(Volke y Velasco, 2002). La biorremediación se centra en la explotación de la
diversidad genética y versatilidad metabólica que caracteriza a los
microorganismos los cuales transforman los contaminantes y los integran a los
ciclos biogeoquímicos naturales (Garbisu et al., 2002). Muchos contaminantes
orgánicos pueden ser degradados de forma muy efectiva optimizando las
condiciones del suelo para los microorganismos, mediante el ajuste de pH,
temperatura y el suministro de nutrientes, al mismo tiempo que se favorece la
aireación del suelo con técnicas de cultivo adecuadas (Harrison, 1999). La
aplicabilidad de esta técnica depende de las propiedades del contaminante
(biodegradabilidad) (Volke et al., 2005).
Los hidrocarburos lineales como los alcanos sufren una biodegradación más
rápida al igual que aquellos que tienen una longitud de cadena menor, ya que su
hidrosolubilidad aumenta y la microbiota los toma fácilmente como fuente de
carbono. En contraste los hidrocarburos constituidos por estructuras aromáticas,
así como los que presentan configuraciones ramificadas, son más resistentes a
estos mecanismos de biodegradación por la energía que se requiere para romper
los enlaces (Botello et al., 2006). La biorremediación se puede realizar ex situ
mediante el uso de biorreactores e in situ por medio de la bioestimulación y la
biaumentación con microorganismos nativos o incluso con aquellos modificados
enéticamente (Castillo et al.,2005).
III. VARIABLES E HIPÓTESIS
3.1 Definición de las variables
Variable independiente:
X=biorremediacióncon lodos de PTAR
Indicadores:
Variables dependientes:
Y=Suelo contaminado con petróleo crudo
Indicadores:
3.2 Operacionalización de variables
3.3 Hipótesis general e hipótesis específicas
Los suelos contaminados por derrame de petróleo crudo generados por las
actividades extractivas y explorativas de Hidrocarburos al ser biorremediado
mediante la bioestimulación con lodos de PTAR cumplirán con la ECA del suelo y
podrán usarse como suelo agrícola y/o recuperar el suelo para regenerar el
ecosistema dañado por la contaminación.
Cantidad de Lodo (Kg) X1
Tiempo de remediación (días) X2
Concentración de Hidrocarburos (THPs) Y 1
Conductividad Y 2
Temperatura Y 3
pH Y 4
IV. METODOLOGÍA
4.1 Tipo de investigación
Según las variables:
Experimental Cuasi experimental Simple y compleja
Según la fuente de información:
Investigación documental Investigación de Campo.
Según la extensión del estudio:
Investigación censal Investigación de caso Encuesta
Según el nivel de medición y análisis de la información:
Investigación cuantitativa Investigación cualitativa Investigación cuali-cuantitativa Investigación descriptiva Investigación explicativa
Según las técnicas de obtención de datos:
Investigación de alta y baja estructuración Investigación participante Investigación participativa Investigación proyectiva Investigación de alta o baja interferencia.
Según su ubicación temporal:
Investigación histórica Investigación longitudinal o transversal Investigación dinámica o estática.
Según el objeto de estudio:
Investigación pura Investigación aplicada.
4.2 Diseño de la investigación
Experimento a escala piloto
Se diseñó un balde de 20L y en cada uno de los depósitos se tratará suelo
contaminado homogenizado de 10kg (suponiendo que la densidad del suelo de 1,3
t / m 3).
El tratamientos consiste aplicar en función de la adición 10% lodos de PTAR; (un
balde con la muestras blanca y el otro con la adición de lodo).
Preparación de suelo contaminado para su tratamiento
El suelo utilizado para el experimento fue traído de …………………….. El suelo se
tamizó a través de una pantalla de 2 mm pues en la mayoría de los estudios, el
suelo se tamiza a través de un tamiz de 2 mm que, según AASHTO (American
Association of State Highway and Transportation Officials) y normas del Instituto
de Tecnología de Massachusetts, representa el límite entre las partículas de arena
y grava (Tahooni 2000).Y a un balde se añadió 10% lodo. La mezcla de suelo se
introdujo al balde a una columna de suelo de 35 cm de altura (aproximadamente
10 kg de suelo por depósito).
4.3 Población y muestra
El suelo que se a utilizar va dentro de una balde en el cual se va a mezclar con el
10% de lodo de PTAR, este va estar ubicado a espaldas de la facultad de
Administración.
4.4 Técnicas e instrumentos de recolección de datos.
Medición de pH
Método
El método utilizado para esta medición es el gravimétrico, para determinar
únicamente la cantidad de agua de los suelos.
Medición de Conductividad
Método
El método de la conductividad eléctrica se realiza por medio de un conductímetro
sobre una muestra de agua o extracto de suelo.
Medición de Temperatura
Método
El método para medir la temperatura se realiza con un termometro sobre una
muestra de agua o extracto de suelo.
Medición de THPs
Método
Para extraer los hidrocarburos de suelos contaminados se utiliza el método de
reflujo con equipo Soxhlet o agitación-centrifugación, tomando como referencia los
métodos D5369-93 de la ASTM (2003) y 3540C y 3541 de la US EPA (1996,
1994).
4.5 Plan de análisis estadísticos de datos
V. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
Actividad Fecha
INTRODUCCIÓN
I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
28 nov 2014
II. MARCO TEÓRICO 5 dic 2014
III. VARIABLES E HIPÓTESIS 12 dic 2014
IV. METODOLOGÍA 19 dic 2014
Ensamblado de la caja
Mezcla del suelo con el lodo
Toma de muestras
Analisis de muestras
1ra aeración
Resultados
VI. PRESUPUESTO
Materiales Costo (soles)
Guantes de nitrilo 14
Mascarillas 3m para gases orgánicos 33
Gafas protectoras 20
Mandil 15
Bolsas de muestreo 10
Termómetro 20
Espátula de mano 12
Tierra contaminada -
Caja de madera 5
pH chimetro de bolsillo 120
Analisis de TPH 360 quincenal
Total -
VII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Tahooni, S. 2000. Principios de la Ingeniería de la Fundación. Pars Aain Prensa,
Teherán. 934 p.
ANEXOS
Matriz de Consistencia
Esquema tentativo de la tesis
Consentimiento informado
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