TEMA 11. TRATAMIENTOS BIOLÓGICOS. Dr. Eduardo Carlos Ercoli

TEMA 11: TRATAMIENTOS BIOLOGICO DR. EDUARDOERCOLI

TEMA 11. TRATAMIENTOS BIOLÓGICOS.

Dr. Eduardo Carlos Ercoli

Los tratamientos biológicos se basan en la acción de degradadora de agentes microbianos. El terminobiotransformación se refiere a la descomposición de un compuesto orgánico en otro similar y el términomineralización se refiere a la descomposición total de materia orgánica en dióxido de carbono, agua y residuosinorgánicos inertes. La biotransformación es una degradación parcial y la mineralización una degradación completa.Se puede realizar el tratamiento biológico de casi todos los residuos orgánicos peligrosos porque esencialmentetodas las sustancias orgánicas se degradan si se establecen, mantienen y controlan las poblaciones microbianasapropiadas.

Aspectos microbiológicos

Los parámetros básicos que afectan al proceso microbiológico son:• Fuente de energía y sustrato• Biodegradabilidad del sustrato• Inhibición y toxicidad• Población microbiana

Fuente de energía y sustrato

Los microorganismos se clasifican según la fuente de obtención de energía.

Tipo de microorganismos Fuente de energía Fuente de Carbono

Autótrofos Fotoautótofos Luz Dióxido de Carbono Quimiolitotrofos Reacciones de óxido-reducción de

compuestos inorgánicosDióxido de Carbono

Heterótrofos Reacciones de óxido-reducción decompuestos orgánicos

Carbono orgánico

Biodegradabilidad del sustrato

Si bien la mayoría de las sustancias orgánicas son biodegradables, existen compuestos que resisten la degradación(recalcitrantes) o que degradan muy lentamente (persistentes). La biodegradabilidad de un compuesto depende engran medida de su estructura molecular.

A pesar de la estabilidad química de los hidrocarburos alifáticos y aromáticos, compuestos en los cuales se poneespecial atención en este resumen, un gran número de microorganismos -bacterias, hongos y levaduras- soncapaces de utilizarlos como fuentes de Carbono y de energía. La velocidad a la que los microorganismos oxidan loshidrocarburos varía marcadamente, los alcanos saturados se degradan rápidamente, los alcanos ramificados sonmás resistentes a la biodegradación que los alcanos normales (la resistencia aumenta con el número deramificaciones), los hidrocarburos aromáticos son más difíciles de degradar y los hidrocarburos aromáticospolicíclicos se degradan en muy baja proporción.

Población microbiana

El tratamiento biológico implica una compleja interacción de diversas especies microbianas. La biodegradación decompuestos orgánicos se basa en la oxidación biológica de los mismos por la acción de microorganismos. Ladegradación espontánea se debe a la actividad de microorganismos autóctonos, también denominados indígenas.Los procesos degradativos naturales acontecen en general por el concurso de poblaciones microbianas mixtas, que


operan bajo complejas regulaciones simbióticas. Las poblaciones mixtas suelen ser muy eficientes en la utilizaciónde substratos complejos tales como residuos de hidrocarburos. La velocidad de la transformación de moléculascomplejas en moléculas sencillas está en función de la masa microbiana activa. Existe una interpretación disparrespecto de la conveniencia o no de estimular el desarrollo de poblaciones depuradoras autóctonas, frente a laincorporación de cultivos microbianos provenientes de cepas aisladas, seleccionadas y adaptadas en laboratorio.

En una mezcla de poblaciones microbianas no sólo son importantes aquellos organismos que pueden iniciarprocesos catabólicos sino también los consumidores secundarios. Algunos microorganismos pueden utilizarhidrocarburos para su crecimiento como única fuente de carbono, entre ellos se incluyen bacterias, actinomicetes,levaduras y mohos. Los microbios producen una serie de catalizadores biológicos denominados enzimas, que seliberan al exterior de la célula y atacan las moléculas de hidrocarburo transformándolas en formas más fácilmenteasimilables. Solo unas pocas especies son capaces de degradar hidrocarburos gaseosos, mientras que loshidrocarburos parafínicos líquidos son atacados por un mayor numero de especies. La degradación dehidrocarburos alifáticos saturados es un proceso básicamente aeróbico, el oxígeno es necesario para iniciar elataque microbiano a la molécula, mientras que la degradación de hidrocarburos alifáticos insaturados puedeefectuarse en forma aeróbica y anaeróbica, al igual que los aromáticos.

Los mecanismos bioquímicos de la degradación son complejos y dependen de las condiciones fisicoquímicas delmedio, del tipo de sustrato y del microorganismo. Dichos mecanismos no están totalmente estudiados y sólo se hainvestigado la degradación de algunos compuestos específicos. Cada especie de microorganismos tiene unacapacidad especifica para degradar hidrocarburos: solo ataca algunos compuestos específicos y en un gradodeterminado. Cuando se tiene una mezcla compleja como puede ser un lodo de refinería se recurre al usocombinado de un grupo de especies degradadoras. Estos conjuntos de microorganismos se denominan consorciosmicrobianos.

Cinética del crecimiento microbiano

El funcionamiento del tratamiento biológico de los residuos se puede medir por la velocidad a la cual losmicroorganismos los metabolizan, lo que a su vez esta directamente relacionado con la velocidad de crecimiento.En un sistema discontinuo ideal, operando a volumen constante, la tasa de formación de un componente i, rfi, esdependiente del tiempo.

dci

----- = rfi

dt

En un reactor agitado de flujo continuo ideal la tasa de formación es:

Frfi = ------ (ci – c fi)

V

Nota. F = flujo volumétrico, c fi = concentración molar del componente i en la corriente de ingreso, ci =concentración molar del componente i en el reactor y en la corriente de salida, t=tiempo.

TRATAMIENTO EN FASE SOLIDA

El término tratamiento en fase sólida representa una amplia gama de métodos que realizan el tratamiento de fangos,sólidos suelos contaminados en condiciones de contenido de agua libre mínima. Existen distintos tipos detratamiento en fase sólida. En este resumen se incluyen tratamiento en suelo y tecnología de biopilas. Se analizaparticularmente el tratamiento de residuos en suelo, con especial referencia al tratamiento de residuos dehidrocarburos. La mayor parte de los conceptos aplicados al tratamiento de hidrocarburos en suelo sonextrapolables a otros residuos.


TRATAMIENTO DE RESIDUOS EN SUELO

En este sector se provee lineamientos guía específicos para optimización del proceso de tratamiento en suelo,técnica conocida como land treatment. La técnica de land treatment ha sido exitosamente aplicada para removerhidrocarburos de sitios contaminados con petróleo. Durante un proceso de land treatment los hidrocarburos sonconvertidos por microorganismos naturales o indígenas en dióxido de carbono, agua, masa microbiana y materialhúmico. Se reconocen numerosos factores que afectan tanto la tasa de degradación como la extensión de remociónde hidrocarburos de un suelo contaminado. Estos incluyen propiedades tales como pH, temperatura, humedad,aireación y estado de nutrientes (por ejemplo fertilizantes nitrogenados y fosforados), característica delcontaminante tales como estructura molecular y toxicidad para microbios y la ecología de la población microbianapresente en el suelo.

Durante un proceso de land treatment los parámetros ambientales son optimizados ara conseguir la más rápida ycompleta biodegradación de los hidrocarburos presentes en el suelo. El éxito de cualquier tratamiento debiorremediación depende de numerosos factores tales como característica del residuo, presencia de condicionesmicrobianas optimas, adecuada selección de la tecnología de remediación, uso de métodos analíticos apropiadospara evaluar tipo y extensión de la contaminación y el diseño de un plan de muestreo estadístico. Si algunos deestos factores no son suficientemente planificados el procedimiento de remediación puede resultar e una perdidade tiempo, esfuerzo y dinero

Característica del residuo PropiedadesComposición

Microbiología óptima NutrientesHumedadAireaciónInóculo

Éxito de un procesode biorremediación

Tecnología de remediación Land treatmentBioslurryCompostingBioventing

Método analítico

Muestreo estadístico


Carta de flujo de un proceso de land treatment

Evaluación del sitio y muestreo

Determinación del nivel y características del contaminante

Estimación del potencial de biodegradación

Estimación de número de bacterias en suelo

Diseño de la unidad básica de tratamiento

Ajuste del pH del suelo

Ajuste del contenido de humedad del suelo

Adición de fertilizantes

Adición de agentes

Remoción e irrigación

Evaluación del sitio y muestreo

Antes de iniciar las actividades de tratamiento en campo, la extensión de la contaminación global debe serevaluada. Muestras representativas deberán ser tomadas del sitio siguiendo un procedimiento estadísticoapropiado. El número de muestras colectadas y analizadas es dependiente generalmente del objetivo global delmuestreo, de la heterogeneidad de distribución del contaminante en el sitio y del costo de muestreo y análisis.Existen varios procedimientos para selección de locaciones de muestreo. Un método es seleccionar locacionesaleatorias de muestreo. Otro es trabajar sobre una grilla hipotética cuadrada o rectangular sobre el sitio y tomarmuestras sistemáticas del centro de cada cuadrado o rectángulo. Después de colectar las muestras conequipamiento adecuado, debe ser homogeneizadas previo a seleccionar la muestra final de análisis.

Determinación del nivel y características del contaminante

Mientras un número de diferentes análisis de suelo para compuestos tales como BTEX (benceno, tolueno,etilbenceno y xileno) o HAPs (hidrocarburos aromáticos polinucleares) pueden ser requeridos por las agenciasregulatorias, solamente concentración de aceite y grasas (O&G) e hidrocarburos totales de petróleo (TPH) sonrequeridas para el diseño de un proceso de land treatment. Grasas y aceites son determinados por extracciónSoxhlet con freón y pesado del material extraído de acuerdo a norma EPA 413.1. El extracto O&G es tratado consílica gel para remover compuestos polares. TPH es determinado por norma EPA 418.1.

El éxito de un proceso de remediación depende fundamentalmente de las características del contaminante. Loscontaminantes de petróleo pueden ser clasificados del siguiente modo:


CARACTERIZACION DE PETROLEO POR TIPO DE COMPUESTOS

PETROLEO

POLARES

HIDROCARBUROS

ASFALTENOS RESINAS SATURADOS AROMATICOS

ALCANOS CICLICOS MONONUCLEARES PNAs

LINEALES RAMIFICADOS

Estimación del potencial de biodegradación

La factibilidad de un proceso de land treatment para contaminantes de petróleo puede ser evaluada a través deestudios de tratabilidad en laboratorio o por caracterización de los hidrocarburos del residuo combinado con laestimación del potencial de biorremediación basado en datos de biodegradabilidad de compuestos específicos.

Bandeja abierta Cuveta aireada

Ensayos en mesocosmos

Estimación de número de bacterias en suelo

La mayor parte de los suelos contienen gran numero de bacteria naturales o indígenas (ej. 106 células por gramo desuelo) que son capaces de degradar hidrocarburos de petroleo. Existen algunas condiciones bajo las cuales laactividad microbiana puede ser inhibida. Por ejemplo, una alta concentración de sales o metales pesados puedeninhibir el crecimiento bacteriano, lo mismo que algunos compuestos orgánicos. Se ha observado también que unaconcentración en el nivel de hidrocarburos superior a 10 % puede inhibir crecimiento.

Para verificar que la población microbiana es adecuada se pueden utilizar test de cultivos, el más común de loscuales se utiliza para contar numero total de bacterias heterotróficas en suelo.


Diseño de la unidad básica de tratamiento

Antes de comenzar el proceso de biodegradación, el suelo contaminado debe ser preparado para optimizar elproceso de tratamiento.

Ajuste del pH del suelo

El pH óptimo ara un proceso de biorremediación se encuentra entre 6 y 8. Si el suelo es muy ácido o muy basico sedebe corregir por incorporación de agentes correctores tales como arcilla o sulfato de aluminio.

Ajuste del contenido de humedad del suelo

La biodegradación acontece bajo un amplio rango de condiciones de humedad. El suelo no debe estar ni muy seconi muy húmedo. Un suelo muy seco reduce la actividad microbiana lo cual afecta la degradación. En un suelo muyhúmedo la transferencia de oxigeno se ve limitada. La humedad optima en un suelo depende fundamentalmente deltipo de suelo y puede ser estimada usando como criterio una valor correspondiente al 50-70 % de la capacidad decampo.

Adición de fertilizantes

Los microorganismos requieren fuentes de Nitrógeno y de Fósforo para su desarrollo. Durante el proceso debiodegradación los microorganismos incorporan Carbono desde la fuente contaminante juntamente con Nitrógenoy Fósforo del suelo, en su estructura celular. La relación C:N:P de la célula bacteria es aproximadamente 100:20:1.Las cantidades de Nitrógeno y Fósforo necesarios para estimular la biodegradación son menores que losrequerimientos teóricos debido a que no todo el Carbono proveniente de contaminante es incorporado a la biomasa(una fracción es convertida en CO2). Existe un amplio rango de relaciones C:N:P reportadas en la literatura ydiversas metodología para estimar la cantidad de fertilizante a agregar para estimular la biodegradación, como porejemplo el uso de una relación fija C:N:P o la incorporación de Nitrógeno y Fósforo basada en el monitoreoperiódico del suelo en tratamiento.

Adición de agentes

El algunos casos se recomendado el uso de agentes de muy bajo costo que mejores la capacidad de aireación delsuelo, tales como restos de vegetales o aserrín. Además, la presencia de agentes mejoradores incrementan lacapacidad de drenaje del suelo.

Remoción e irrigación

Una vez que el suelo a tratar a sido acondicionado, esto es, ajuste de pH, contenido de agua y fertilización, debeser arado e irrigado periódicamente para proveer un adecuado mezclado, aireación y control de humedad. El aradose realiza hasta la profundidad de labranza de la herramienta (aproximadamente 25 cm) con intervalos de dos acuatro semanas. El agua se incorpora según el criterio de humectación previamente indicado.


CASO DE ESTUDIO # 1. Experiencias en biorremediación de suelos en el centro-oeste argentino.

Este trabajo resume cinco años de experiencias en la región centro-oeste de Argentina en aplicación de técnicas debiorremediación para el tratamiento de residuos de hidrocarburos y suelos contaminados por petróleo, bajo lascondiciones edafoclimáticas existentes. El propósito del trabajo es presentar algunos de los resultados obtenidospara analizar el alcance y la viabilidad del uso de este tipo de técnicas en zonas semi-desérticas. Se haexperimentado usando distintos tipos de residuos y suelos bajo diversas condiciones de laboreo, fertilización yfrecuencia de riegos. Las áreas de experimentación han sido también muy variables en su extensión, desde cuatro amás de dos mil metros cuadrados. En todos los casos se ha observado un desarrollo favorable del procesodegradativo, dependiendo fuertemente de la intensidad del laboreo y la frecuencia de riegos. Preliminarmente seconcluye que la técnica de landfarming es aplicable en la región.

El clima del centro-oeste argentino es de tipo semidesértico, con precipitaciones anuales promedio inferiores a 300mm. Existe una amplia variación térmica entre el día y la noche y marcadas diferencias entre las temperaturas mediasde verano y las de invierno. El suelo es completamente heterogéneo, existiendo toda la gama de texturas, desdearenosos y arcillosos hasta grava e incluso formaciones volcánicas. La profundidad del agua subterránea para usohumano y agrícola-ganadero varía desde los trescientos metros de profundidad hasta niveles superficiales.

En la mayor parte de las experiencias de biorremediación realizadas se han utilizado cultivos microbianosdesarrollados a partir de especies autóctonas. Dichos cultivos en general contienen dos o más especiesmicrobianas que actúan en simbiosis y se ha estudiado su proceso de producción y escalamiento hasta losdoscientos litros. Tres de ellos han sido utilizados exitosamente en ensayos de campo. En más de veinteexperiencias de degradación sobre superficies de hasta 2000 m2 se han tratado diversos tipos de residuos de laindustria petrolera, tales como fondos de tanque de refinería, residuos semisólidos de oleoducto y suelosafectados por derrames en yacimientos. En algunos casos se ha realizado un trabajo intensivo sobre las parcelasrealizando laboreo con frecuencia quincenal y riegos semanales (caso refinería y oleoducto) y en otros se harealizado un trabajo intensivo solamente al comenzar el proceso continuando luego con un mínimo de laboreo yriego por lluvias. Se han utilizado distintos tipos de fertilizantes, empleando en unos casos fertilización química yen otros fertilización orgánica (estiércol). Los resultados obtenidos permiten realizar un análisis orientador sobrelas reales posibilidades de aplicación de este tipo de técnicas en esta región y responder algunas interrogantessobre el tema.

Es importante destacar que en todos los casos al indicar concentración de hidrocarburo en suelo, se hacereferencia al contenido de hidrocarburos totales extraídos con tolueno en extractor Soxhlet según norma A.S.T.M.D-473 (A.S.T.M., 1980). A pesar de que esta técnica esta indicada para residuos petroleros en general, en el caso dehidrocarburos antiguos, es decir aquellos que se han derramado en el suelo y permanecido sin tratamiento duranteaños, es observable un error por defecto que en algunos casos pueden llegar al 50 %.

Efectividad de las técnicas. La técnica fué aplicada para residuos originados en distintos tipos de procesos y por lotanto con características diferentes uno de otro. En el caso de residuos de refinería, estos son los generados por lalimpieza de las piletas API y DAF, con una concentración de hidrocarburos del orden de 50 %. El residuo deoleoducto tratado se origina por la limpieza de una línea de transporte de crudo de aproximadamente 400 km. delongitud. Es un residuo que por sus características, casi 70 % de resinas, ofrece ciertas dificultades para su manejocomo por ejemplo su incorporación al suelo de tratamiento. En cuanto a los residuos generados en yacimientosfueron tratados especialmente suelos contaminados por derrames de hidrocarburos y también fondos de tanques.Estos residuos ofrecían la particularidad de ser muy antiguos, se trató en la mayor parte de los casos de fraccionesmuy pesadas.

En la figura 1 se observa la evolución del proceso degradativo para cada uno de los residuos. Se comparan losresultados para un periodo de seis meses de aquellos procesos que fueron inoculados con un mismo cultivomicrobiano.


0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1 2 3 4 5 6

Tiempo (meses)

Deg

rada

ción

(%

)Oleoducto

Refinería

Yacimiento

Fig. 1: Evolución de los distintos procesos degradativos.

En todos los casos se observa una importante degradación existiendo una notable diferencia entre aquellosresiduos sobre los cuales la técnica ha sido aplicada en forma intensiva (refinería y oleoducto, en donde se lograun 70 % de degradación en el período considerado) y en residuos de yacimiento en los que solamente se hamantenido un mínimo de cuidados iniciales (50 % de degradación).

Concentraciones iniciales

Es muy importante conocer la concentración inicial de hidrocarburo que puede ser tratada ya que esto permitedefinir el alcance y potencialidad de la técnica. Si la concentración inicial de hidrocarburos totales es muy baja serequerirán mayores áreas de terreno

0

20

40

60

80

100

120

0 1 2 3 4 5 6

Tiempo (Meses)

Con

cent

raci

ón d

e H

idro

carb

uro

en

el s

uelo

(g/k

g)

65 g/kg

100 g/kg

Fig. 2: Procesos degradativos para diferentes concentraciones inicial de hidrocarburos

CURSO LATINOAMERICANO DE ESPECIALIZACION EN TÉCNICAS DE REMEDIACION AMBIENTALTEMA 11: TRATAMIENTOS BIOLOGICO DR. EDUARDOERCOLI

AIDIS – 24 al 27 de Noviembre de 1998 Página 9

En la figura 2 se muestran las experiencias realizadas usando distintas concentraciones iniciales de residuo.Comparando ambas curvas (67 y 105 g/kg respectivamente), se observa que el proceso degradativo evolucionafavorablemente aún cuando la concentración inicial es mayor, de lo cual se infiere que es posible trabajar aconcentraciones superiores a 10.

Tipo de fertilizante

Los resultados obtenidos indican que es beneficioso utilizar fertilizante orgánico. Si bien en términos dedegradación no se logró un considerable aumento, tiene la ventaja de favorecer el crecimiento de vegetales, locual es muy importante desde el punto de vista de la recuperación del suelo.

Influencia del origen de las cepas utilizadas

Se puede observar que para tratamientos bajo las mismas condiciones de laboreo, riego y fertilización se obtieneuna diferencia muy apreciable entre utilizar cepas propias de la zona a tratar frente a otras, que si bien fueronobtenidas de zonas contaminadas, no eran exactamente del lugar. El efecto más evidente es que la fase delatencia o adaptación de los microorganismos es menor en el caso que se usan microorganismos propios dellugar.

En la figura 3 se representa la degradación porcentual para ambos casos en función del tiempo.

Tal como se mencionó, en el caso del proceso con cultivo de cepas propias del lugar, la degradación durante losprimeros tres meses fué en el orden del 50% mayor respecto al cultivo implantado igualándose luego detranscurridos seis meses. Sobre la base de los argumentos experimentales presentados se puede considerar quees factible aplicar técnicas biológicas con resultados satisfactorios en la región geográfica considerada.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 1.27 2.67 5.47

Tiempo ( Meses)

Deg

rada

ción

Por

cent

ual (

%)

No autóctono

Autóctono

Fig. 3: Efecto de distintos cultivos microbianos

Se concluye que, si bien se obtienen porcentajes de degradación diferentes para un periodo de tiempodeterminado, los resultados son totalmente coincidentes con la intensidad de trabajos efectuados en la parcelarespectiva. Es decir, una parcela trabajada intensivamente arroja mejores resultados. Se puede considerar queeste tipo de técnicas constituyen una alternativa compatible con la evolución que tiene la legislación enArgentina. Es una técnica ambientalmente aceptable ya que en las experiencias realizadas no hubo emisión degases con olores desagradables ni generación de sustancias indeseables. A pesar de las grandes diferencias de



temperatura registradas en la región estudiada, donde en el suelo contaminado con hidrocarburos la temperaturallega a 70 ºC en verano ó -2ºC en invierno, el proceso degradativo continuó, aunque muy lentamente en elperiodo invernal. Dado que los suelos son básicamente alcalinos, no fué necesario corregir pH. Además noencontraron factores de inhibición al desarrollo de microorganismos. Cuando la frecuencia de remoción fue dedos veces por mes se obtuvieron resultados un 40 % superiores a cuando se removió sólo una vez cada dosmeses.

CASO DE ESTUDIO # 2. Tratamiento biológico de lodos de refinería

En el caso especifico de residuos de refinería la técnica de tratamiento en suelo resulta ventajosa por tratarse devolúmenes de lodo a tratar muy grandes y por ser una técnica de bajo consumo energético. Se requiere disponerde suficiente superficie de terreno destinada en forma excluyente a este propósito. Los diversos residuos sólidosque genera una refinería de petroleo son en general biodegradables. Los lodos de refinería son de origendiverso: limpieza de piletas API, fondos de tanques de almacenamiento de crudo, limpieza del sistema detratamiento de efluentes, aceites lubricantes residuales, etc. En este trabajo se han utilizado residuos mixtos dediversos orígenes.

Este trabajo contempló cuatro etapas:

1- Aislamiento, selección, multiplicación, evaluación y conservación de cepas microbianas capaces de degradarresiduos de refinería (lodos y barros).2- Producción de cultivos para realizar la experiencia en campo.3- Biodegradación de residuos en campo: acondicionamiento ambiental.4- Seguimiento y evaluación de los cultivos provistos.

El detalle de cada etapa es el siguiente:

Aislación, selección, multiplicación y evaluación de cepas microbianas.

En esta etapa se obtuvieron cepas con capacidad de ataque a residuos de hidrocarburos las cuales se extrajeronde lugares en los que hubo presencia de hidrocarburo durante varios años como las piletas API y tanques ypiletas de almacenamiento de residuos. También se usaron cultivos ya experimentados en circunstanciassimilares.

Extracción de muestras para aislación de microorganismos. Se utilizaron dos tipos: líquidas y sólidas. Lasmuestras líquidas se extrajeron de las piletas API y las muestras sólidas se extrajeron de distintos puntos de lasorillas de las piletas de almacenaje de residuos sólidos existentes al momento del ensayo. Ambos tipos demuestras se almacenaron a temperatura ambiente en recipientes de polipropileno.

Las muestras líquidas tuvieron las siguientes características

Muestra 1 - Agua ASTM D 95 ................... 44.00 % v/v - Sedimentos por extracción ASTM D 473............................. 4.15 % p/v - Destilado por arrastre con vapor ................................. 32.50 % p/v

Muestra 2 - Agua ASTM D 95 .................... 95.00 % v/v - Sedimentos por extracción ....... 0.75 % p/v - Destilado por arrastre con vapor.....................................2.10 % p/v



Microorganismos involucrados

Se utilizaron, además de los microorganismos obtenidos de las muestras extraídas en la refinería, cepas decolección.

Medio de cultivo

Se utilizó medio líquido para la adaptación de gérmenes y medio sólido para la aislación de los mismos.

Medio de cultivo

ClNa............................ 5.00 g/l SO4 Mg ........................0.20 g/l PO4 NH4 .......................1.00 g/l PO4 HK2 .............. 1.00 g/l SO4 (NH4 )2 .......... .0.50 g/l Fuente de carbono.....16,00 g/l Extracto de levadura ...0.02 g/l

Obtención de cultivos microbianos

Se realizaron tres ensayos en paralelo: uno para obtener el pool proveniente de la muestra líquida, otro de lamuestra sólida y un tercero para adaptar las cepas de colección a las exigencias del sustrato. La adaptación serealizó en erlenmeyers agitados a 35 C y pH 6.8 durante seis semanas, utilizando una concentración creciente dehidrocarburo en cada etapa, cada una de las cuales duró una semana. Al final de la misma se transfirió unaalícuota del cultivo a medio fresco con mayor concentración de hidrocarburo para continuar la adaptación.

Ensayo de aislación y selección

Los microorganismos se aislaron en caja de Petri, sobre medio sólido a pH 6.8, cultivándolos a una temperaturade 28 C durante 2 días en estufa. Se seleccionaron colonias de acuerdo con su diferente forma, color,características de su borde y superficie. Cada una de las colonias diferenciadas se sembró en tubos de ensayo.Se llevaron a estufa durante 48 horas, luego se llevaron a heladera a 4 C.

Producción de los cultivos microbianos

Se trabajo sobre 3 cultivos diferentes:

* Cultivo microbiano A: formado por cepas de colección.* Cultivo microbiano B: formado por el pool microbiano obtenido de la muestra líquida.* Cultivo microbiano C: formado por el pool microbiano obtenido de la muestra sólida.

Una vez obtenidos los cultivos, se efectuó el escalamiento hasta obtención de un volumen de 170 litros. El mismose realizó en una secuencia de tres etapas: erlenmeyers agitados, reactor de preparación de inóculo de 12 litros yreactor de producción de 200 litros de capacidad.

Estudios de campo

Los ensayos en campo se realizaron en 8 parcelas de 2,5 m x 4 m. Los análisis iniciales realizados sobre muestrasde suelo tomadas de las parcelas arrojaron los siguientes resultados:



- pH ................................ 7,20 - Nitrógeno total ............. 0,06 % - Fósforo ......................... 1,95 ppm - Materia orgánica........... 0,03 %

Las parcelas fueron sometidas a un trabajo de remoción a una profundidad de 20 cm por medio de palas y sedistribuyeron sobre las mismas los residuos sólidos en una concentración de 10 kg de residuos por m2 de terreno,posteriormente se cubrieron con una capa fina de tierra.

Las parcelas se numeraron de 1 a 8, se utilizaron dos como testigo (sin inoculación) y las seis restantes sesembraron con los tres cultivos microbianos seleccionados por duplicado. La inoculación se efectuódistribuyendo en forma uniforme el cultivo microbiano mediante riego con manguera. Las parcelas 3 y 4 seinocularon con el Cultivo microbiano B, las parcelas 5 y 6 con el A y las parcelas 7 y 8 con el C.

Seguimiento y evaluación de los cultivos

Esquema de laboreo. Se realizó con frecuencia mensual un laboreo superficial de las parcelas a una profundidadde 20 a 25 cm, utilizando herramientas para agricultura. La frecuencia de riego fue semanal.Seguimiento del proceso de degradación. Se extrajeron muestras de las distintas parcelas utilizando técnicas demuestreo que garantizaran la representatividad de las mismas. Para la determinación de hidrocarburos se utilizó lanorma ASTM D-473.

Conclusiones

En los cuatro ensayos realizados (parcela testigo frente a parcelas inoculadas), se observó una disminución de laconcentración de hidrocarburos totales presentes, lo cual esta directamente vinculado a la reducción delcontaminante. Se observó además una marcada diferencia en la eficiencia depurativa entre la parcela testigo y lasparcelas inoculadas. Las curvas de decrecimiento de hidrocarburos totales en función del tiempo fueronmarcadamente diferentes. En la parcela testigo se observa un período de latencia (período en el cual la poblaciónmicrobiana no manifiesta actividad depurativa visible) de aproximadamente dos meses. Después de dichoperíodo comenzó una fase de depuración acelerada que se prolonga más allá de los seis meses. Por otra parte lasparcelas inoculadas prácticamente no manifestaron período de latencia, iniciando la acción depurativa en formacasi inmediata. En los tres casos las curvas muestrearon un perfil similar, permaneciendo en decrecimiento por unperíodo de cuatro meses, para luego disminuir la velocidad depurativa.

Para un período de seis meses el cuadro de porcentajes de reducción de hidrocarburos es el siguiente:

Parcela 1 (testigo)......... 41.16 %Parcela 3 .................. 66.50 %Parcela 5 .................. 61.83 %Parcela 7 .................. 72.80 %

TECNOLOGIA DE BIOPILAS

La tecnología de biopilas es un método biológico de tratamiento que consiste en tratar suelos en células detratamiento formadas acumulándolo en pilas de 1 a 3 m de altura en las cuales se estimula la actividad microbianapor aireación continua y agregado de nutrientes. Esta tecnología se usa ampliamente para diversos tipos decontaminantes orgánicos. Se construyen sobre una base impermeable para impedir la migración de lixiviado ysobre ella se instala un sistema de tuberías perforadas conectadas a un soplador. Además se construye unsistema de recolección de lixiviado. La pila es recubierta con una membrana impermeable para prevenir laliberación de contaminantes al ambiente y protegerla de la intemperie. Opera en diversos climas. En zonas frías es



necesario incorporar aire precalentado. En una biopila se alcanzan degradaciones del orden del 90%, con tiemposde residencia que van desde 7 semanas para hidrocarburos livianos hasta 20 semanas para hidrocarburospesados.

Ventajas y desventajas de la Tecnologia de Biopilas

Ventajas DesventajasSimple en cuanto a implementación y diseño. Opera con valores menores de 50 g/kg de

hidrocarburoTiempos de tratamiento cortos (entre 2 y 6 meses) Está limitada por la presencia de metales pesados en

concentraciones superiores a 2.5 g/kgCostos competitivos

Efectivo aun en caso de compuestos orgánicos conbajo nivel de degradaciónPueden controlarse las emisiones de vapor

Se adapta a distintas condiciones de suelo y decontaminante

Parámetros utilizados para evaluar el sistema biopila

La eficiencia de la biopila depende de muchos parámetros que pueden agruparse en tres categorías:

a. Características del suelo

Densidad microbianaEl suelo normalmente contiene un gran número de microorganismos que incluyen bacterias, hongos, protozoos yactinomicetes. En suelos bien drenados estos organismos son generalmente aeróbicos. De ellos las bacterias sonlas más numerosas y activas particularmente con bajos niveles de oxígeno. La densidad microbiana en suelosvaría generalmente entre 104 y 107 CFU/g de suelo. Para que una biopila sea efectiva el conteo en placa deheterótrofos debe ser de 103 CFU/g de suelo o más.

pHEl pH adecuado para el crecimiento bacteriano está entre 6 y 8 siendo 7 el valor optimo. En caso de que el suelo atratar no se encuentre en dicho rango será necesario ajustar el pH al iniciar la biopila y luego programar elmonitoreo de dicho parámetro.

Contenido de humedadLos microorganismos del suelo necesitan condiciones apropiadas para el crecimiento. Una excesiva humedad enel suelo restringe el movimiento del aire a través del subsuelo, reduciendo la disponibilidad de oxígeno. El rangoideal de humedad del suelo se encuentra entre el 40 y el 85% de la capacidad de retención de agua, es decir entreel 12 y el 30% en peso.

TemperaturaEl crecimiento microbiano es función de la temperatura. El rango en el cual se produce la biodegradación dehidrocarburos está comprendido entre 10 C° y 45 C°. Los valores que se encuentren por debajo o por encima deeste rango no permiten un adecuado desarrollo bacteriano por lo cual requieren ajustes. Por ejemplo, paratemperaturas inferiores a 10 °C será necesario inyectar aire caliente además de trabajar en estructuras tipoinvernadero, si la temperatura excede los 45°C será necesario inyectar aire frío.



Concentración de nutrientesLos microorganismos requieren nutrientes inorgánicos como nitrógeno y fósforo pues ellos mantienen elcrecimiento celular. La relación C:N:P manejada en biopilas generalmente es 100:10:1 o bien 100:10:0.5.

b. Características del elemento a degradar

VolatilidadEs necesario tener en cuenta la volatilidad de los contaminantes propuestos para tratar en una biopila Porejemplo la nafta tiene una fracción significativa de compuestos volátiles no así los lubricantes. Los productos delpetróleo generalmente contiene mas de cien elementos diferentes con distintos rangos de volatilidad. Si laproporción de volátiles es importante se debe operar aspirando aire, esto permite enviar los gases extraídos a unsistema de tratamiento físico-químico o físico-químico-biológico.

Estructura químicaLa estructura química de contaminante permite determinar el nivel de degradación esperado. Compuestosalifáticos y aromáticos de bajo peso molecular (menos de 9 átomos de carbono) son fácilmente degradablesmientras que la biodegradabilidad disminuye a medida que aumenta el número de átomos de carbono o de anillos.Por lo tanto se debe tener en cuenta la estructura química a la hora de estimar tiempos de remediación, y laoperación y monitoreo deben basarse en el constituyente que represente la etapa limitante.

Concentración y toxicidad del contaminanteEn general la concentración de hidrocarburo total en suelo no debe exceder las 50000 ppm y los metales pesadosdeben estar por debajo de las 2500 ppm, en caso que estos requerimientos no se cumplan se debe diluir elcontaminante hasta obtener los niveles deseados.

c. Condiciones climáticas

Temperatura ambienteLas temperaturas adecuadas para el funcionamiento de una pila varían entre 10 ºC y 45 ºC.

LluviasLas lluvias caídas sobre la biopila incrementan el contenido de humedad del suelo y causan erosión entonces sila biopila está localizada en una zona de alta precipitación debe tenerse en cuenta la construcción de unacobertura apropiada.

VientoDurante períodos de viento puede producirse la erosión de la biopila, esto puede prevenirse recubriéndola.

Diseño de la biopila

Espacio requeridoSe puede determinar dividiendo la cantidad de suelo a tratar por la altura de la biopila.

ConstrucciónIncluyePreparación del lugar:El lugar seleccionado debe proveer de espacio, infraestructura y servicios de soporte adecuados para la biopila.Se necesita disponer de un área plana, libre de construcciones para:

• Sector de almacenamiento de suelo contaminado• Biopila• Sector para mezclado y preparación del suelo.



Fundación e impermeabilización La fundación consta de arcilla o suelo compacto con un espesor que puede variar entre 15 y 25 cm. Tambiénpuede utilizarse una superficie de concreto. En muchos casos además de la fundación se impermeabiliza pormedio de membranas para evitar la posible contaminación provocada por la eventual producción de lixiviado. Sistema de aireación Consta de un sistema de cañerías perforadas o ranuradas ubicadas en la parte inferior de la biopila que luego seunen a un soplador. Agregado de nutrientes En general se agregan antes de ingresar el suelo a la biopila. El fertilizante puede ser disuelto en agua osimplemente agregado en forma granular y luego mezclado con el suelo hasta homogeneizarlo. De ser necesariostambién pueden adicionarse durante el funcionamiento de la pila mezclándolos con el agua del sistema deirrigación Sistema de Irrigación El contenido de humedad del suelo es uno de los factores críticos para la biodegradación. Por ello, en el muestreoinicial debe incluirse la medición del contenido de humedad y la capacidad máxima de retención de agua delsuelo. Conociendo estos datos puede calcularse la cantidad de agua que debe agregarse al suelo. Luego debemos definir en que forma agregarla. Existen tres alternativas:• Hidratando el suelo mientras se encuentra en la zona de almacenamiento por medio de mangueras orociadores.• Agregando agua cuando se está construyendo la pila (este método es poco efectivo ya que sí el suelo esapilado rápidamente la cantidad de agua que puede ser agregada entre cada descarga de la excavadora podríaser solo una fracción del agua necesaria).• Instalando un sistema de irrigación por goteo en la pila.Sistema de recolección de lixiviadoSe debe prever este tipo de sistema cuando la capacidad de retención de agua del suelo es mayor al 85%. Esteaccesorio de la biopila puede incluirse en el sistema de aireación si éste opera extrayendo el aire o en formaindependiente en caso de inyección. Consiste en cañerías de drenaje ranuradas instaladas en canaletasconstruidas en la pila en ellos se acumula el lixiviado que luego es transferido a un tanque de recolección pormedio de una bomba.

MonitoreoSueloEl objetivo es determinar las condiciones de la biodegradación. Se muestrea mensualmente y se analizan lossiguientes parámetros:• Contenido de hidrocarburo.• Población bacteriana.• PH.• Nutrientes: fósforo, nitrógeno y potasio.• Contenido de humedad.• TemperaturaAire extraído del sueloEl objetivo es determinar la distribución de oxígeno en la biopila y el nivel de degradación obtenido. Se muestreaal comienzo, durante la primera semana y luego mensualmente. Se analiza TPH, CO2 y O2,

CASO DE ESTUDIO # 3. Tratamiento intensivo de suelos biorremediados en reactor biologico tipo airlift

El tratamiento microbiológico de suelos, sedimentos y otros sólidos contaminados con hidrocarburos en la formausual de aplicación lleva varios meses y los resultados muestran un decrecimiento asintótico del contaminantedegradable. En casi todos los casos estudiados descriptos en la literatura puede ser observado un remanente delcontaminante después del tratamiento. La razón de este fenómeno no resulta clara hasta el momento.Probablemente son los equilibrios de sorsión-desorsión o la distribución no homogénea en la materia sólida losresponsables de este comportamiento. Trabajos recientes analizan individualmente los tres tipos de limitaciónmencionados anteriormente: degradabilidad, difusividad y desortividad. Algunos trabajos sugieren que la



difusión desde los agregados es el mecanismo limitante en la degradación hidrocarburos. Experimentos realizadoscon reactores tipo slurry para estudiar la biodegradabilidad de hexadecano y diesel oil muestran que laconcentración residual de hidrocarburo después del tratamiento no es causada por incapacidad de losmicroorganismos presentes para degradar dichos substratos o por la formación de sustancias inhibidoras deldesarrollo microbiano, ya que bajo otras condiciones de desarrollo mineralizan completamente el contaminante.

Los suelos contaminados poseen una distribución no uniforme de contaminante según la granulometría delmismo y el contenido de materia orgánica. En los suelos biorremediados ocurre un fenómeno similar. Laalternativa de usar reactores biológicos para realizar un tratamiento intensivo se encuentra seriamente limitadapor los costos que implica mover grandes volúmenes de suelo.

La base de planteo de este trabajo consiste en tratar solamente la parte altamente contaminada, o sea la fracciónde partículas más finas, en un biorreactor aireado neumáticamente. La hipótesis de este trabajo se fundamenta enque en un sistema de depuración intensiva es posible lograr altas velocidades de transferencia de masa, faseshomogéneas y condiciones controladas de desarrollo microbiano lo cual permite una descontaminación másprofunda.

Materiales y métodos

Unidad de tratamiento (fig. 1): Esta unidad está formada por un tanque de lodos, un hidrociclón para separar lafracción fina del suelo y el reactor biológico. Todos están construidos en acero inoxidable AISI 316. Elhidrociclón tiene 400 mm de altura, 100 mm de diámetro, 45 mm de diámetro de la salida superior y 5 mm dediámetro de la salida inferior. El reactor airlift tiene 218 mm de diámetro y 1025 mm de altura con un cilindro interiorde 140 mm de diámetro y 900 mm de altura con fondo toriesférico de 35 mm de flecha máxima. Posee una camisa deagua, para termostatización. Se puede controlar pH, temperatura y caudal y presión de aire de ingreso.

Fig. 1: Unidad de tratamiento

Microorganismos: Se utilizó un consorcio microbiano aislado del suelo de un campo petrolero de la provincia deMendoza, Argentina, mediante la siguiente técnica: una cantidad de suelo fue transferida a un erlenmeyer



conteniendo el siguiente medio de cultivo 5,0 g/l de NaCl; 0,2 g/l de MgSO4; 1,0 g/l de NH4PO4H2; 1,0 g/l deK2PO4H; 0,5 g/l de (NH4)2SO4; 0,02 g/l de extracto de levadura. Este erlenmeyer fue incubado en un agitador a30ºC y adaptado a concentraciones crecientes de contaminante durante 45 días. Posteriormente fue transferidoasépticamente a un tubo de ensayo con el siguiente medio de mantenimiento: 5,44 g/l de KPO4H2; 5,68 g/l deNa2PO4H; 1,00 g/l de NH4Cl; 1,50 mg/l de FeCl3; 0,15 mg/l de CaCl2; 1,0 g/l de extracto de levadura; 16,00 g/l degasoil parafínico; 25,0 g/l de agar. Posteriormente se almacenó en refrigeración a 4ºC. El cultivo obtenido estáformado por un bacilo esporulado Gram positivo aerobio facultativo y una levadura aerobia.

Microscopio: Se utilizó un microscopio Fisher Scientific, con objetivo de inmersión de 100 X y objetivos normalesde 40 X y 60 X.

Medio de cultivo: Para los ensayos de degradación en proceso semicontinuo se utilizó el medio de cultivo A (tab.1 y 2) disuelto en el producto de cabeza del hidrociclón. Para la preparación del inóculo se utilizó el mismo mediopero en lugar del producto de cabeza del hidrociclón se utilizó agua deionizada para la disolución y se incorporó16 g/l de gasoil hidrogenado como fuente de carbono. Para los ensayos de optimización de medios se usaron losmedios A y B (tab. 1 y 2) combinando sus componentes de acuerdo a la tabla 4.

Suelo contaminado: Se ha utilizado un suelo modelo compuesto por arena tamizada (diámetro menor o igual a 2mm): 95%; humus de lombriz (sin tamizar): 4,5%, gas oil hidrogenado: 0,5%.

Se prepararon dos tipos de suelo modelo (tab. 3).

Tab. 1: Composición de los medios de cultivo

Medio A Medio B

KH2PO4 5,4 g/l NaCl 5,0 g/l

Na2HPO4 5,6 g/l MgSO4 0,2 g/l

NH4Cl 1,0 g/l NH4 HPO4 1,0 g/l

Extracto de levadura 1,0 g/l K2HPO4 1,0 g/l

Micronutrientes A 0,15 ml/l (NH4)2SO4 3,0 g/l

Extracto de levadura 1,0 g/l

Micronutrientes B 10,0 ml/l

Tab. 2: Composición de los micronutrientes

Micronutrientes A Micronutrientes B

FeCl3 10 g/l FeSO4 • 7 H2O 275 ml

CaCl2 1 g/l ZnSO4 • 7 H2O 550 mg/l

CaCl2 • 2 H2O 110 mg/l

MnCl2 • 4H2O 275 mg/l

CuSO4 • 5 H2O 110 mg/l

CoSO4 • 7 H2O 110 mg/l

KCl 2750 mg/l

NaCl 2750 mg/l



Tab. 3: Composición de los suelos modelo

Diámetro \ Arena Grueso Fino

Arena 0,501-2,000 mm 57,0% 9,5%

Arena 0,101-0,500 mm 28,5% 28,5%

Arena 0-0,100 mm 9,5% 57,0%

Humus 4,5% 4,5%

Gasoil hidrogenado 0,5% 0,5%

Los suelos modelo se almacenaron durante 90 días. Durante este período los recipientes se rotaron diariamentepara homogeneizar el contenido. Posteriormente el suelo fue hidrociclonado y el producto de cabeza fue utilizadopara los ensayos de degradación. La distribución granulométrica se muestra en los gráficos 2 y 3 para losproductos de cabeza de hidrociclón de los suelos modelos grueso y fino respectivamente.

Metodología experimental: Se realizó un ensayo preliminar para cada suelo modelo contaminado. Posteriormentese siguió trabajando sólo con el suelo modelo fino en todos los ensayos en proceso discontinuo. En los ensayosen proceso semicontinuo se utilizó el suelo modelo fino. El volumen de trabajo del reactor fue de 40 l. Se utilizarondos tipos de aireadores: el primero en forma de boquilla elíptica para los ensayos preliminares y una placaperforada en los demás ensayos. El aire se introdujo con un caudal de 13 a 34 l/min. El pH se mantuvo en 6,80 y latemperatura en 30°C. Para el estudio de la influencia de la temperatura, ésta se elevó hasta 40°C. Tambien serealizó un agregado de Tween 80.



Tab. 4: Combinaciones de los nutrientes en la optimización del medio de cultivo y concentraciones finaleslogradas en ensayos en erlenmeyers agitados

Componente Medio base Concentración demacro/micronutrientes

Concentración dehidrocarburo (ppm)

Degradación(%)

Testigo A Medio de referencia (Sin degradación) 956 0

B Medio de referencia (Sin degradación) 991 0

Fósforo A 1,0 g/l KH2PO4

1,0 g/l NaH2PO4 n.d. n.d.

A 5,4 g/l KH2PO4

5,6 g/l NaH2PO4 198,81 79,2

B 1,0 g/l NH4H2PO4

1,0 g/l K2HPO4 101,23 89,8

B 5,0 g/l NH4H2PO4

5,0 g/l K2HPO4 234 76

Nitrógeno A 1,0 g/l NH4Cl 198,81 79,2

A 5,0 g/l NH4Cl 137,07 85,6

B 3,0 g/l (NH4)2SO4

1,0 g/l (NH4)H2PO4 101,23 89,8

B 15,0 g/l (NH4)2SO4

1,0 g/l (NH4)H2PO4 274,48 72

Micronutrientes A Micronutrientes A 198,81 79,2

Inorgánicos A Micronutrientes B 198,81 79,2

B Micronutrientes A 139,06 86

B Micronutrientes B 101,23 89,8

Micronutrientes A 0 g/l de extracto de levadura 95,25 90

Orgánicos A 0,2 g/l de extracto de levadura n.d. n.d.

A 1,0 g/l de extracto de levadura 198,81 79,2

B 0 g/l de extracto de levadura 81,31 91,8

0,2 g/l de extracto de levadura 89,28 91

B 1,0 g/l de extracto de levadura 101,23 89,9

Condiciones A pH constante (medio sin modificar) 198,81 79,2

Ambientales A 11,0 g/l KH2PO4, pH libre (final 5,75) 53,43 94

B pH constante (medio sin modificar) 101,23 89,8

B 2,0 g/l KH2PO4, pH libre (final 8,60) 109,19 89

n.d.: no determinado



Determinaciones analíticas: Los hidrocarburos totales se determinaron mediante técnicas de espectro-fotometríainfrarroja por la norma Stichting CONCAWE I-72 (ANONIMOUS 1972). El método consta de las siguientes etapas:se toma una muestra homogénea de lodo y se lleva el contenido a pH = 5 con ácido clorhídrico. Se agregan 5 g decloruro de sodio y 50 ml de tetracloruro de carbono y se agita vigorosamente por 15 minutos. Luego se dejasedimentar por 10 minutos y se extrae un volumen de 10 ml de la capa de tetracloruro de carbono.

Diámetro de particula (µm)10 100 1000 10000

Mas

a ac

umul

ativ

a de

sue

lo (%

)

10

100

40

20

60

80

Fig. 2: Distribución de partículas en el producto de cabeza del hidrociclón para el suelo modelo grueso

Diámetro de particula (µm)10 100 1000 10000

Mas

a ac

umul

ativ

a su

elo

(%)

10

100

20

40

60

80

Fig. 3: Distribución de partículas en el producto de cabeza del hidrociclón para el suelo modelo fino

Se agrega un gramo de Florisil y se agita por 2 minuto. Se deja sedimentar. El sobrenadante se analiza en la regiónespectral comprendida entre 3,2 y 3,6 µm comparándola contra un blanco de tetracloruro de carbono. Sedetermina el peso de los sólidos presentes en la muestra mediante filtrado o secado de la misma.

Resultados y discusión

Ensayos preliminares: los resultados se muestran en los gráficos 2 y 3 para los suelos modelo grueso y finorespectivamente. Se observa que se puede tratar eficientemente una suspensión de partículas finas altamentecontaminada en un reactor airlift. Se han logrado degradaciones del 77% del hidrocarburo presente en un períodode 62 horas para el suelo grueso y 55% en el modelo fino en 14 horas.



Se pueden distinguir dos fases: una inicial de degradación rápida y una lenta. La fase inicial puede deberse a unefecto combinado de degradación y evaporación. Este comportamiento coincide con las experiencias reportadasen la literatura: una primera en donde el contaminante presente en la superficie de la partícula se desorberápidamente y es consumido por los microorganismos y una segunda etapa en donde se produce la desorción delcontaminante presente en el interior de la partícula (GEERDINK 1995).

Tiempo (horas)0 20 40 60 80 100 120

Con

cent

raci

ón d

e ga

s oi

l en

el lo

do (p

pm)

0

10

20

30

40

50

Con

cent

raci

ón d

e ga

s oi

l en

el s

uelo

(pp

m)

0

1000

2000

3000

4000

5000

LodoSuelo

Fig. 4: Degradación de gas oil adsorbido sobre suelo modelo grueso

En los dos tipos de suelo estudiados se llega a una concentración final residual de hidrocarburo que nodisminuye aunque se aumente el tiempo de tratamiento. Este valor límite representa alrededor del 25% de laconcentración inicial del suelo para el suelo modelo grueso, mientras que para el suelo modelo fino laconcentración residual corresponde al 50%.

Tiempo (horas)

0 20 40 60 80 100 120 140

Concentració

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Concentrac

0

300

600

900

1200

1500

1800

2100

2400

2700

LodoSuelo

Fig. 5: Degradación de gas oil adsorbido sobre suelo modelo fino

Si se comparan los ensayos realizados con el suelo modelo grueso y el fino se observa que la concentracióninicial del slurry dentro del reactor difiere en un 25%, pero si se analiza la diferencia correspondiente a la fasesólida, tenemos una diferencia del orden del 95% entre el modelo fino y el modelo grueso (se considera a losefectos de la comparación la concentración menor; correspondiente al fino; como 100%). Este fenómeno seexplica debido a la diferente composición granulométrica de los modelos y al efecto de la superficie específica enlos fenómenos de sorción. En el modelo fino se tiene mayor proporción de partículas con baja granulometría(60%) mientras que en el grueso, dicha proporción es del 10%; por consiguiente, para una masa dada de



contaminante, la concentración por unidad de superficie de partícula es menor en el modelo fino que en el modelogrueso. Dado que el hidrociclón separa las partículas de un determinado tamaño, en el modelo fino tendremosuna masa mayor de suelo que es enviado al reactor que en el modelo grueso, lo que explicaría la menor diferenciaobservada en la concentración de contaminante en el slurry.

La tasa de degradación es más baja en el suelo modelo grueso que en el fino (fig. 4). Este comportamiento sepuede explicar sobre la base de que en el modelo grueso el contaminante se hallaría en su mayor parte en losporos y en el interior de la partícula y en menor medida en la superficie. El contaminante presente en el interior dela partícula se desorbe lentamente. En los finos (fig. 5) ocurre un fenómeno opuesto: hay mayor superficieespecífica y menor longitud de poro por lo cual la desorción es más rápida (BOSMA et al.1997).

Influencia de la concentración de oxígeno disuelto: El efecto de la concentración de oxígeno debido al cambio deaireador se puede observar en las figuras 6 y 7. Para mejorar la transferencia de oxígeno dentro del reactor semodificó el aireador cambiándolo por uno tipo placa circular con perforaciones múltiples. Si se analizan losresultados y curvas se puede concluir que el cambio de aireador produjo una mejora en la degradación desde50% al 77% si consideramos la variación en la masa total en degradación. Esta diferencia no se refleja en lavariación que experimenta la concentración final de hidrocarburos totales en fase sólida donde solo se produceuna mejora del 6%, hecho que debe ser estudiado.

Tiempo (horas)0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Con

cent

raci

ón d

e ga

s oi

l en

el lo

do (p

pm)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Aireador 1Aireador 2

Fig. 6: Efecto de la concentración de oxígeno disuelto en el lodo

Tiempo (horas)0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Con

cent

raci

ón d

e ga

s oi

l en

el s

uelo

(ppm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

Aireador 1Aireador 2

Fig. 7: Influencia de la concentración de oxígeno disuelto en el suelo



Una posible explicación es que en procesos donde se consume biológicamente un sustrato carbonado en muybajas concentraciones, el oxígeno disuelto no constituye un sustrato limitante, por lo que la leve mejoraobservada se podría deber a la mayor turbulencia que favorece la transferencia de materia desde la superficie dela partícula al microorganismo (BAILEY y OLLIS 1986)

Influencia del incremento de la temperatura y efecto de surfactan-tes: Los efectos del incremento de latemperatura y el efecto de la adición de surfactantes se muestra en la figura 8. Una vez que se llegó a la etapaasintótica se incre-mentó la temperatura para lograr una mayor desorción. Con este tratamiento se ha logrado unadis-minución global de la concentra-ción de hidrocarburo del 86% en 90 horas, lo cual significa un incremento delorden del 15% en la degradación.

Los microorganismos necesitarían un período de 30 horas para adaptarse a las nuevas condiciones térmicas yrecuperar una diversidad y concentración altas para el proceso degradativo.

El agregado del tensioactivo (Tween 80) no introduciría una mejora por lo menos si se coloca posteriormente dehaber efectuado un incremento de temperatura.

Influencia del caudal de aire: La influencia del caudal de aire se muestra en la figura 9. El caudal de aire influyesignificativamente en el proceso de degradación, con un caudal de 30 litros por minuto la concentración decontaminante disminuye rápidamente alcanzándose una degradación del orden de 55% en 2,5 horas y una final de70% en 16 horas. Cuando el caudal de aire es 13 litros por minuto se llega a 20% de degradación en 1,6 horas y55% en 20 horas.

Tiempo (horas)0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Con

cent

raci

ón d

e ga

s oi

l en

el lo

do (p

pm)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Con

cent

raci

ón d

e ga

s oi

l en

el s

uelo

(pp

m)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

LodoSuelo

Incremento de temperatura

Incorporación de surfactante

Fig. 8: Efecto del incremento de la temperatura e incorporación de surfactantes



Tiempo (horas)0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Con

cent

raci

ón d

e ga

s oi

l en

el lo

do (p

pm)

0

1

2

3

4

5

6

7

34 lpm13 lpm

Fig. 9: Influencia del caudal de aire

Se observa una mayor degradación final cuando el caudal de aire es alto. Hay un desplazamiento del ”piso” deconcentración residual al incrementar el caudal de aire.

Análisis de la influencia de macro- y micronutrientes: Los resultados se indican en la tabla 4. La influencia decada nutriente y grupos de micronutrientes se analizó por separado.

Nitrógeno: Los mejores resultados se obtuvieron cuando la concentración se mantuvo entre 0,97 g/l y 1,33 g/l de

NH4+

. Tanto un exceso como un déficit disminuyen la degradación alcanzada en un orden del 10 al 15%.

Fósforo: En una concentración del orden de 1,36 g/l de PO4-3

, se obtienen los mejores resultados. Enconcentraciones más altas se produce una disminución en la degradación del hidrocarburo del orden del 15%.

Micronutrientes inorgánicos: Al trabajar con dos soluciones de micronutrientes, una rica y otra pobre, condistintas formulaciones de macronutrientes, no se observan diferencias apreciables en la degradación finalobtenida. Este hecho se debe a que los micronutrientes se encuentran en cantidades adecuadas en el suelo(arena y humus) y en el agua del medio de cultivo.

Micronutrientes orgánicos: Al trabajar con tres concentraciones de extracto de levadura como micronutrienteorgánico no se observaron diferencias significativas en el medio B, mientras que en el medio A se observó quedesfavorece la degradación. En el primer caso se podría explicar porque los componentes pueden ser aportadosen cantidad suficiente por el humus y no es necesario incorporar el extracto de levadura.

Cuando el pH se dejó evolucionar libremente en el medio B, el proceso de degradación llevó el pH a 8,6 y no seobservó ningún efecto en la biodegradación final. En el caso del medio A el pH descendió y se incrementó ladegradación en el orden de 15% (la disminución de pH favorecería el desarrollo de las levaduras).

La composición del medio optimizado es: 5,00 g/l de NaCl; 0,20 g/l de MgSO4; 1,0 g/l de (NH4)H2PO4; 1,0 g/l deK2PO4H; 3,00 g/l de (NH4)2SO4; 1,00 g/l de extracto de levadura; 2,75 mg/l de FeSO4•7 H2O; 5,50 mg/l deZnSO4•7 H2O; 1,10 mg/l de CaCl2•2 H2O; 2,75 mg/l de MnCl2•4 H2O; 1,10 mg/l de CuSO4•5 H2O; 1,10 mg/l deCoSO4•7 H2O; 27,50 mg/l de NaCl y 27,50 mg/l de KCl.

Conclusiones

• Se demostró la factibilidad de combinar un hidrociclón con un reactor airlift para lograr la degradación de lafracción de hidrocarburo remanente de un suelo biorremediado en un período de tiempo suficientementecorto.



• La degradación máxima lograda para el proceso discontinuo es de 75% a 30°C, alcanzando concentracionesde 15 - 20 ppm a temperatura ambiente. Se llega a una concentración de 6 ppm a 40ºC, lo que representa unadegradación del 86%.

• Se distinguen dos etapas en la desorción del contaminante: la primera en donde el gasoil presente en lasuperficie de la partícula se desorbe rápidamente y es consumido por los microorganismos. En esta fase, laetapa controlante, es la biodegradación del contaminante. En la segunda fase se produce la desorción delcontaminante presente en el interior de la partícula, donde la etapa controlante es la transferencia de masaintrapartícula. Ambas etapas estarían limitadas por las características químicas del residuo.

• Un tiempo prolongado de tratamiento no produce un incremento significativo de la degradación en elproceso discontinuo.

• El aumento de la temperatura en la fase final del proceso favorece el proceso.

• El agregado del tensioactivo (Tween 80

) no introduciría una mejora, por lo menos si se colocaposteriormente de haber efectuado un incremento de temperatura.

• Se ha optimizado el medio de cultivo.

ESTABILIZACION Y SOLIDIFICACIÓN DE RESIDUOS

La estabilización es el proceso que utiliza aditivos para reducir la naturaleza peligrosa de un residuo,transformando el residuo y sus constituyentes peligrosos en un bloque. Con ello se minimiza la velocidad demigración de los contaminantes al medio ambiente y también se reduce el nivel de toxicidad

Aplicaciones

Los tres campos principales son:Eliminación en el terreno de residuos líquidosLos residuos líquidos y los lodos con alto grado de humedad deben ser estabilizados antes de ser eliminados envertederos. Esto se realiza con agentes estabilizantes capaces de ligarse química y físicamente con el líquido demanera que no sean expulsados por fuerzas de consolidación o lixiviados por percolaciónRecuperación de terrenos que contiene residuos orgánicos, inorgánicos o suelos contaminados. En este casola estabilización permite mejorar las características físicas y el manejo de los residuos, disminuir la velocidad demigración y reducir la toxicidad de algunos contaminantes. La estabilización está especialmente indicada paragrandes extensiones de suelo con bajo nivel de contaminación puesto que es más viable económicamente que laincineración.

Solidificación de residuos industrialesSi bien muchos compuestos de los residuos no ponen en peligro la salud o el medio ambiente, a menudo soninestables, inadecuados estéticamente y su naturaleza impide que esos terrenos tengan otros usos. En este casola solidificación mejora las propiedades mecánicas y puede reducir la velocidad de migración de loscontaminantes al medio ambiente.

Mecanismos

Para lograr la estabilización se utilizan una o más de las siguientes técnicas:1. Macroencapsulación: la estabilización se logra reteniendo al residuo peligroso en los poros discontinuos delmaterial estabilizante. La desventaja de este sistema es la posibilidad de una degradación física del materialestabilizado, con lo cual los compuestos atrapados quedarían libres para migrar.2. Microencapsulación: Los constituyentes del residuo quedan atrapados en el interior de la estructuracristalina de la matriz a nivel microscópico. Como resultado, incluso si los materiales estabilizados se degradan apartículas pequeñas, mayor parte del residuo permanece atrapado.3. Absorción: La absorción requiere de un material sólido (absorbente) para absorber los líquidos libres delresiduo. Los absorbentes más comunes son: suelo, cenizas volantes, polvo de hornos de cemento, polvo dehornos de cal, aserrín, heno y paja.



El empleo de esta técnica es considerada una medida temporal para mejorar las características de manejo.4. Adsorción: es el fenómeno por el cual los contaminantes quedan ligados de manera electroquímica a losagentes de estabilización de la matriz. Este tratamiento se considera más permanente ya que los contaminantesfijados químicamente a la matriz tienen menor probabilidad de quedar libres en el medio, necesitando una fuerzafísico-química adicional para desorber el material de la superficie de adsorción.5. Precipitación: algunos procesos de estabilización precipitan los contaminantes del residuo dando lugar auna forma más estable de los constituyentes dentro del residuo. Los precipitados, tales como hidróxidos,sulfuros, silicatos, carbonatos y fosfatos quedan así contenidos en la masa estabilizada. Este sistema es aplicablea residuos inorgánicos y por lo tanto la permanencia del metal fijado depende del pH entre otros factores, por lotanto deben considerarse las condiciones medio ambientales presentes y futuras para evaluar su eficacia.6. Detoxificación: algunas de las reacciones químicas que tienen lugar durante el proceso de estabilizaciónpueden originar un residuo de menor toxicidad. Un ejemplo de esto es la reducción del cromo con estado devalencia +6 a cromo con valencia +3 durante la estabilización con materiales tipo cemento. Para detoxificar elcromo se puede utilizar sistemas de fijación que reducen su valencia, el sulfato ferroso y la combinación desulfato ferroso y sulfato sódico son efectivos en este sentido.

Tecnología

La descripción de la tecnología de la estabilización se puede realizar mediante el estudio de los distintos tipos deaditivos utilizados.

1. Cemento

Es el principal agente en la estabilización de residuos peligroso. El más común es el cemento portland. En esteproceso se mezclan los residuos con el cemento, si fuese necesario se agrega agua para su hidratación. Lahidratación origina una estructura cristalina, de alumino-silicato cálcico. Esto da lugar a una masa dura,monolítica de aspecto rocoso. La estabilización con cemento se adapta mejor a residuos inorgánicos,especialmente con metales pesados, esto se debe al elevado pH, los metales son retenidos como hidróxidosinsolubles o carbonatos en la estructura endurecida. Los contaminantes orgánicos interfieren el proceso dehidratación, reducen la resistencia final y no son fáciles de estabilizar. Para reducir la interferencia de loscontaminantes orgánicos en la hidratación e incrementar la estabilización se pueden incorporar otros aditivoscomo arcillas modificadas o naturales, vemiculita y silicatos de sodio solubles.

Ventajas DesventajasTecnología bien conocidaCostos relativamente bajosEquipos y personal disponiblesNo es necesario eliminar el agua de lodos y residuosLa alcalinidad del cemento puede neutralizar residuosácidos.El sistema admite variaciones en la composiciónquímica del residuo

Sensibilidad del cemento a la presencia de ciertoscontaminantes que pueden retardar el fraguado yendurecimiento del material

2. Puzolanas

Es un material que reacciona con la cal en presencia de agua para producir material de cementación. Entre losmateriales puzolánicos se encuentran las cenizas volantes, escorias de incineración y polvo de hornos decemento. Al igual que la estabilización con cemento las puzolanas se utilizan para material inorgánico. El medio dealto pH es adecuado para residuos contaminados con metales pesados.



3. Cal

La estabilización de lodos se realiza a menudo por adición de hidróxido cálcico. La cal también puede añadirsepara subir el pH de lodos ácidos, junto con los otros reactivos que proporcionan las reacciones principales, comocenizas volantes. La estabilización con cal está indicada para contaminantes inorgánicos y se ha utilizadoampliamente con lodos metálicos.

4. Silicatos solubles

El uso de compuestos silíceos en estabilización de metales se utiliza desde hace mucho tiempo en procesoscomerciales a gran escala. En algunos de estos procesos, los reactivos de sílice se acidifican para dar lugar a unasolución monosilícea ácida a la que se añaden los residuos con metales. En otros, la combinación de silicatoslíquidos solubles y cemento forman la base del proceso, el cual es efectivo para suelos con altasconcentraciones de plomo, cobre y zinc.

5. Arcillas modificadas orgánicamente

Recientemente se han empezado a usar las arcillas modificadas orgánicamente junto con otros reactivos deestabilización para atrapar la porción orgánica del residuo a estabilizar. Estas arcillas se originan cuando semodifican orgánicamente las arcillas naturales para hacerlas organofílicas. El proceso de modificación se realizamediante la sustitución de cationes inorgánicos de la arcilla por cationes orgánicos, generalmente iones deamonio cuaternario. La eficacia de las arcillas modificadas en la estabilización de residuos con compuestoorgánicos se debe a la adsorción de los contaminantes a la arcilla que a su vez puede ser encapsulada mediantecemento u otros aglomerantes. Las arcillas organofílicas se añaden primero al residuo y se les permite interactuarcon los compuestos orgánicos, luego se añaden otros agentes para proporcionar resistencia y solidificar elmaterial.

6. Cal modificada

Como en el caso anterior los productos de cal modificada orgánicamente se han desarrollado específicamentepara la estabilización de residuos orgánicos.

7. Polímeros orgánicos temoestables

El proceso implica la mezcla de un monómero, como la urea formaldehído que actúa como catalizador, para formarun material polimérico. Se forma así una masa tipo esponja, que retiene en la matriz partículas sólidas del residuopeligroso

Ventajas DesventajasSon aplicables en residuos orgánicos, no volátiles ylíquidos.El material obtenido es de baja densidad.Se requieren pequeñas cantidades de aditivos parasolidificar los residuos.

No son aplicables para recuperación de terrenos debidoa su costo, peligro de incendio, producción de agua apartir del residuo y volatilización de compuestosorgánicos.



8. Materiales termoplásticos

Es un sistema que combina materiales plásticos fundidos con residuos a altas temperaturas. Los materialestermoplásticos más comunes son: asfalto, betún, parafina, polietileno, polipropileno y azufre. La estabilizacióntermoplástica presenta interés para residuos mixtos (peligrosos y radioactivos) y su principal limitación es lapresencia de productos químicos orgánicos que actúen como solventes o la existencia de materiales en la matrizque puedan deteriorar el material termoplástico. De todas formas, los residuos estabilizados termoplásticamenteson bastante resistentes a lixiviación y biodegradación.

9. Vitrificación

Implica la fundición y fusión de materiales a temperaturas superiores a 1600ªC seguido de un enfriamiento rápidopara obtener una forma amorfa, no cristalina. La vitrificación se considera un proceso de solidificación ya que seobtiene un residuo estructuralmente más estable con un potencial de migración de contaminantes reducido.

Ensayos

La elección de los ensayos apropiados y la interpretación de los resultados depende de los objetivos delprograma de estabilización La elección del tipo y cantidad de reactivo a utilizar en la estabilización depende delos objetivos específicos del programa de recuperación de terrenos, por ejemplo, el riesgo calculado para aguassubterráneas en una alternativa de estabilización puede ser función de la cantidad de arsénico que se estima va alixiviarse diariamente. En este caso, los ensayos deben estimar la cantidad de arsénico lixiviable

1. Ensayos de extracción y lixiviación

La principal razón para elegir la estabilización como técnica de gestión de residuos es la reducción de la velocidada la que pueden migrar los contaminantes al medio.Los ensayos de lixiviación pueden tener distintos objetivos:• Ensayo normalizado que proporcione los fundamentos para un proceso de toma de decisiones uniforme yconsistente• Ensayo predictivo llevado a cabo para generar datos que pueden emplearse en la simulación de la migraciónde contaminantes en el mundo real.• Ensayos de investigación para estudiar los mecanismos de unión básicos, factores de interferencia y losprincipios fundamentales de la técnica de estabilización.

Debido a que cada uno de estos ensayos tiene diferentes objetivos, se han desarrollado distintos métodos, loscuales se enumeran a continuación:

Métodos de ensayos de lixiviaciónEnsayo con filtroEnsayo de liberación de líquidosEnsayo de toxicidad procedimiento de lixiviaciónProcedimiento de lixiviación uniforme modificadoEnsayo de concentración máxima posibleEnsayo de lixiviación de equilibrioEnsayo de lixiviación dinámicaEnsayo de lixiviación secuencialProcedimiento de extracción múltiple

2. Ensayos químicos

El análisis químico del lixiviado es una labor compleja. El tipo de análisis y el procedimiento analítico a menudose especifican en el procedimiento de lixiviación citando el Standard Methods o los protocolos de la EPA.

3. Ensayos de propiedades físicas y técnicas



Para evaluar la integridad física y las propiedades técnicas (resistencia, compresibilidad y permeabilidad) de losmateriales estabilizados se han adaptado una serie de ensayos del área de ingeniería civil. Estos ensayos seresumen a continuación

Ensayos de propiedades físicas, técnicas y durabilidadPropiedad Objetivo

Propiedades físicasContenido de humedadDensidad másica seca y húmedaPeso específicoLímites de AtterbergGranulometría

Indice de cono en laboratorioPenetrómetro de campoExamen de microestructuraVelocidad de fraguadoFormación de sobrenadante durante curaciónPropiedades técnicasResistenciaCompresibilidadPermeabilidadPropiedades de durabilidadHúmedo/secoHielo/deshielo

Cálculos de fases (saturación, relación de huecos)Cálculos de tensiones y volumenCálculos de fases (saturación, relación de huecos)Correlacionado con las propiedades técnicasParámetro de clasificación (distingue entre arena, limo yarcilla, por ejemplo)Resistencia de la mezclaResistencia de la mezclaCristalización

Líquido en exceso

Análisis de estabilidadAnálisis de asentamientoCálculos de flujo y transporte

Integridad a largo plazoIntegridad a largo plazo

Aplicación en campo

La elección de un tipo de proceso de estabilización depende de factores como las características del residuo,manejo y tratamiento de los materiales, objetivos de la estabilización, requerimientos legales y económicos.

1. Alternativas de mezcla en bidones

Para mejorar las características físicas de los residuos peligrosos almacenados en bidones antes de sueliminación en el terreno, los contenedores con lodos o líquidos tóxicos y peligrosos pueden estabilizarseutilizando procedimientos de solidificación en los propios bidones. En general, el proceso consiste en la adiciónde los reactivos químicos y su mezcla utilizando una pala mezcladora de entrada superior. Este método desolidificación ha sido muy empleado y puede realizarse por control remoto.

2. Alternativas de mezcla in situ

Es el método más utilizado. Se emplean equipos de construcción comúnmente disponibles para realizar el procesode mezcla. En el caso de tratamiento de grandes lagunas, este método resulta el más económico casi siempre alminimizar el manejo de los residuos.

3. Alternativas de mezcla en planta

Una manera más minuciosa de mezclar los reactivos de estabilización con los residuos peligrosos es mediante eluso de un mezclador mecánico trabajando en proceso continuo o discontinuo.Con esta alternativa, el residuo peligroso se suministra a un proceso de mezcla donde se adicionan y mezclan losagentes. Se colocan entonces los materiales tratados en su zona de eliminación final.



Un proceso discontinuo adiciona cantidades establecidas de residuo y reactivo para mezclar durante un tiempode contacto fijado.Un proceso continuo permite una entrada continua de residuo y reactivos y proporciona el tiempo de contactonecesario según el diseño del equipo de alimentación y mezcla.La mezcla en planta se aplica, en general. En el mismo emplazamiento utilizando equipo transportable.

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TEMA 11. TRATAMIENTOS BIOLÓGICOS. Dr. Eduardo Carlos Ercoli