UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA

FACULTAD DE CIENCIAS

ESCUELA PROFESIONAL DE QUMICA

INFORME DE SUFIC^NCIA PARA OPTAR EL TTULO

PROFESIONAL DE:

LICENCIADO EN QUMICA

TITULADO:

ESTUDIO DE TCNICAS ELECTROQUMCAS PARA LA

REMEDIACIN DE SUELOS

PRESENTADO POR:

CONSUELO PA U L ^A YAURI GALINDO

ASESOR

DR. ADOLFO LA ROSA TORO G O ^ Z

LIMA-PERU

2014

DEDICATORIA

A Dios que siempre me gua.

A mi familia y de forma muy especial a mi

pap, Hernn Hugo Yauri Dvila, por su

amor, apoyo incondicional, ayuda, consejos

y comprensin, en todo momento.

2

AGRADECIMIENTOS

A mis profesores por su buena enseanza y

su calidad como personas, a mis amigos que

siempre estuvieron conmigo con su apoyo,

aliento y sabios consejos y a mi asesor

Adolfo La Rosa Toro ^ m e z , por su apoyo

durante toda mi carrera.

3

INDICE

GLOSARIO DE TERMINOS Y ABREVIATURAS 6RESUMEN 8PARTE 1: INTRODUCCIN 9PARTE 2: OBJETIVOS 12PARTE 3: TCNICAS APLICADAS A LA REMEDIACIN DE SUELOS 143.1 INTRODUCCIN 153.2 CLASES DE LAS TCNICAS DE REMEDIACIN DE SUELOS 163.2.1. TRATAMIENTOS BIOLGICOS 16A. BIORREMEDIACIN 16B. FITORREMEDIACIN 21C. BIOTRANSFORMACIN DE METALES 28D. flO VEm M G 30E. ^ D F ^ M I N G 32F. BIOPILAS 33G. COMPOSTAJE 34H. LODOS BIOLOGICOS 35

3.2.2. TRATAMIENTOS TRMICOS 36A. INCINERACIN 36B. DESORCIN T R ^C A 36

3.2.3. TRATAMIENTOS MIXTOS 37A. EXTRACCIN MULTIPLE 37B. ATENUACIN NATURAL 38

3.2.4. TRATAMIENTOS FISICOQUMCOS 39A. EXTRACCIN 39B. LAVADO 43C. FLUSHING 45D. ADICIN DE ENMIENDAS 45E. BARRERAS PERMEABLES ACTIVAS 46F. INYECCIN DE AIRE COM PRADO 47G. ELECTRORREMEDIACIN 48

PARTE 4: TEORA ELECTROCINTICA APLICADA A LA REMEDIACIN DE SUELOS. 494.1 INTRODUCCIN 504.2 CONCEPTOS BSICOS 524.3 PRINCIPIO DEL MTODO 544.4 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ELECTRORREMEDIACIN 554.5 ELECTROCmTICA 594.6 CRITERIOS DE DISEO 604.7 CRITERIOS DE FUNCIONALIDAD 60

4

4.8 CRITEWOS PARA LA SELECCIN DE MATERIALES DE LA CELDA 614.9 CRITERIOS PARA LA SELECCIN DEL ELECTRODO 614.10 DISEO DE LA CELDA 624.11 MEJORAMIENTO DE LA TCNICA 624.12 LAS LIMITACIONES DE LA TCNICA 644.13 ELECTROCmTICA APLICADA A LA REMOCIN DE METALESPESADOS 654.14 PROCESOS ELECTROCmTICOS PARA REMEDIACIN DE SUELOS 66A. ELIMINACIN DE METALES PESADOS Um iZA NDO UNA

MEMBRANA SELECTIVA DE CATIONES 66B. ELIM^ACIN DE METALES PESADOS UmiZANDO CUBIERTAS DE

CE^^MICA 67C. PROCESODE^X4GAC4 68D. ELECTROQUMICA DE INTERCAMBIO IMCO 70

PARTE 5: ENSAYOS EXPERIMENTALES P ^ A LA REMEDIACIN DE MUESTRAS DE SUELO DE LA OROYA 715.1 INTRODUCCIN 725.2 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 74A. DETERMINACIN DE LA H^^EDA D 74B. DETERM^ACIN DE LA CURVA DE CALIBRACIN 74C. DETERM^ACIN LA CONCENTRACIN INICIAL DE PLOMO EN LA

MUESTRA 76D. PRUEBAS PARA LA ELECCIN DE LA SOLUCIN DE LA CUBETA 77E. PRUEBAS PRELIMINARES DEL SISTEMA CON UNA SOLUCIN DE

PLOMO 78F. MONTAJE DE LA CELDA ELECTROC^TICA 79G. DETERMINACIN DE PLOMO EN EL SUELO DESPUS DEL

TRATAMIENTO ELECTROCINTICO 805.3 RESULTADOS 815.4 DISCUSIN DE RESULTADOS 81PARTE 6: CONCLUSIONES 84PARTE 7: REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS 86

5

GLOSARIO DE TERMINOS Y ABREVIATURAS

Edafizacin: P ro b o s de intemperismo y erosin mediante los cual& las rocas o

sedimentos se convierten en suelo.

Destoxificar: Eliminar toxinas.

Rizosfera: Parte del suelo inm^iata a las races vivas y que est bajo la directa influencia

de estas.

Evotranspiracin: Es un p roejo por medio del cual la planta pierde agua en forma de

vapor, es un proceso similar a la transpiracin de los mamferos.

Biomasa: Es todo el conjunto de elementos vivos que componen un espacio geogrfico y

que actan en combinacin de muchas maneras diversas.

Homeostasis: propiedad de los organismos vivos que consiste en su capacidad de mantener

una condicin intema atable.

Siderforo: Es un compuesto quelante de hierro srcretado por microorganismos.

fw spa^m g: Inyeccin de aire comprimido.

Alctonas: Que tienen su origen en un lugar diferente a aquel en el que vive.

Escorrentia: Corriente de agua que rebosa su depsito o cauce natural o artificial. Compost: Composto o abono orgnico.

Bioslurping: Es una tecnologa que utiliza el vaco y la actividad de los microorganismos

para la remediacin de suelos.

EDTA: Acido etilendiaminotetraactico.

NTA: Acido nitrilotriactico.

COVs: Compuestos orgnicos voltiles.

TNT: Trinitrotuloeno.

RDX: Royal Demolition Explosive.HMX: High Melting Explosive.DDT: Deflagration-Detonation Transition.

DNT: 2, 4 - Dinitrotolueno.USEPA: U nit^ States Environmental Protection Agency.USACE: U nit^ States Army Corps ofEngineers.LNAP: Compuestos no acuosos en tse libre.BTEX: Benceno, tolueno, etilbenceno y xileno.

6

ESTUDIO DE TECNICAS ELECTROQUIMICAS

PARA LA REMEDIACIN DE SUELOS

7

RESUMEN

En el pr^ente informe se hace una revisin bibliogrfica de las principal^ tcnicas

existentes en el tratamiento de suelos contaminados ta l^ como tratamientos biolgicos,

trmicos y fisicoqumicos, con especial inters en la tcnica de Remediacin

Electrocintica as como su aplicacin en la remocin de metales pesados (Plomo, Pb).

La Remediacin Elecfrocintica es una tcnica innovadora para la descontaminacin y

restauracin de suelos, lodos y otros material^ slidos contaminados con compuestos

inicos y no inicos, los cuales migran mediante la aplicacin de un campo elctrico. La

tcnica consiste en aplicar una corriente elctrica de baja intensidad en un suelo lo que

provoca la migracin de las especia contaminantes hacia uno de los electrodos donde son

concentradas, para luego ser exfradas, tratadas y depositadas adecuadamente. Esta tcnica

se presenta como una alternativa novedosa y limpia en el campo de la remediacin

ambiental de suelos.

Se hizo una revisin bibliogrfica de un estudio de la aplicacin de sta tcnica, en una

muestra real contaminada, proveniente del centro metalrgico la Oroya, para la remocin

de Plomo (Pb). Dnde se utiliz cido etilendiaminotetraactico (EDTA) y nitrato de

potasio (KNO3), como solucin en la celda y como solucin elecfroltica respetivamente

aplicando un potencial constante de aproximadamente 10V durante 30 minutos. La

concenfracin de plomo en el suelo se determin a travs de Voltametra de Redisolucin

Andica antes y d^pus de la aplicacin de la tcnica de remocin, para poder determinar

el porcentaje de rendimiento del mtodo, dnde se obtuvo una remocin de 47.90 % de Pb

para la muesfra.

Palabras claves: Elecfrocintica; Biorremediacin; Suelo contaminado; Metales pesados;

Conductividad elctrica.

8

PARTE 1. INTRODUCCIN

9

Los diferentes proc^os mineros, tales como la exploracin, explotacin, fendicin, y

refinacin, causan diversos impactos ambientales ta l^ como la destruccin de la

vegetacin, el arrastre de residuos peligrosos, descargas de aguas viduales, emisin a la

atmosfera de residuos y la generacin de pr^as de residuos mineros como remanentes del

beneficio, ^ tos en su mayora feeron depositados sin considerar su impacto al medio

ambiente, como la oxidacin de los minerales insolubl^ y formacin de sustancias solubles

cidas con alto contenido de metales (drenaje cido).

Para el tratamiento de sitios contaminados por esta problemtica se han propuesto diversas

tecnologa, que alteran la composicin de una sustancia peligrosa o contaminante a travs

de acciones qumicas, fsicas o biolgicas de manera que reduzcan la toxicidad, movilidad

o volumen del material contaminado. Dentro de los tratamientos fisicoqumicos, la

remediacin electrocintica tambin conocida como electrorremediacin, es una tecnologa

emergente y promisoria que aprovecha las propiedades conductivas del suelo, cuyo objetivo

es separar y extraer contaminantes orgnicos e inorgnicos (metala) de suelos, lodos y

sedimentos, con el uso de un campo elctrico que permite remover las especies cargadas

(iones). Implica la aplicacin de una corriente dirrcta de baja intensidad o potencial entre

un elrctaodo positivo y uno negativo. 1

Condicionantes de remediacin

Cuando se planifica un tratamiento de limpieza para un suelo contaminado, lo primero a

drcidir ^ si r^ulta nrcesaria su decontaminacin. Esta decisin depender

fondamentalmente de varios factore:

Uso del suelo. El uso actual y foturo del suelo, y sobre todo, la evaluacin de la

posibilidad de taansmitir la contaminacin a la cadena trfica humana, a travs de la transmisin de la contaminacin a pastos o aguas superficial^, ser siempre el primer

tactor a considerar para esta toma de decisiones.

Situacin. La proximidad del suelo contaminado a poblaciones o industrias ser tambin un tactor importante a valorar.

10

Naturaleza de la contaminacin. Evidentemente, la peligrosidad de un determinado

contaminante contenido en un suelo condiciona de forma muy dirrcta la posible

necesidad de retirarlo o inertizarlo de alguna manera.

Naturaleza del suelo. Los riegos ligados a la presencia de la contaminacin en el suelo

dependern tambin en parte de propiedades del suelo como capacidad de tamponacin

y de amortiguacin, vulnerabilidad y cargas crticas, que a su vez dependen de la textura,

permeabilidad, pH, capacidad de cambio, mineraloga, contenido en materia orgnica

del suelo. 2

PARTE 2. OBJETIVOS

12

Estudiar las diferentes tcnicas de remediacin ambiental para suelos contaminados.

Describir el mtodo de elecfrorremediacin, como tcnica de avanzada en la

descontaminacin ambiental de suelos.

Describir el proc^imiento experimental de elecfrorremediacin aplicada a la remocin

de plomo de una nuestra real de suelo contaminado.

13

PARTE 3. TECNICAS APLICADAS A LA

REMEDIACIN DE SUELOS

14

3.1. INTRODUCCION

La contaminacin del suelo consiste en una degradacin qumica que provoca la prdida

parcial o total de la productividad del suelo como consecuencia de la acumulacin de

sustancias txicas en unas concentraciones que superan el poder de amortiguacin natural

del suelo y que modifican negativamente sus propiedades. Esta acumulacin se reali^.

generalmente como consecuencia de actividades humanas exgenas, aunque tambin se

puede producir de forma natural o endgena cuando los procesos de edafizacin liberan

elementos qumicos contenidos en las rocas y los concentran en el suelo alcanzando niveles

txicos. 3

Las propiedad^ fsicas, qumicas, fisicoqumicas y biolgicas del suelo controlan en gran

medida los ciclos biogeoqumicos superficiales, en los que acta como un reactor complejo

que sirve de elemento protector de otros medios ms sensibles frente a elementos

contaminantes. As, el suelo ejerce su labor protectora a travs de su poder de

amortiguacin o capacidad natural de depuracin de la contaminacin. Esta atenuacin de

los elementos nocivos contaminantes se realiza, enfre otras, a travs de reacciones de

complejacin, reacciona de adsorcin y desorcin, reacciones de precipitacin y

disolucin, reacciones de xido-r^uccin, reacciones cido-base y reacciona derivadas de

procesos metablicos. Todas estas reacciona estn estrechamente controladas por

propiedades del suelo como su textura, estructura, porosidad, capacidad de intercambio

catinico, pH y la actividad microbiolgica. En cualquier caso, hay que tener muy presente

que el poder de amortiguacin de un suelo no es ilimitado y cuando se rebasa, el suelo deja

de ser eficaz como sumidero de la contaminacin, llegando incluso a invertirse el proceso y

a convertirse en una foente de contaminacin para los organismos del suelo y para el medio

circundante. 4

15

3.2. CLASES DE TCNICAS APLICADAS A LA REMEDIACIN DE SUELOS

Tratamientos in sito y ex sito: La principal ventaja de los ^atamientos in sito frente a los ex

sito es que el suelo tratado no tiene que ser excavado ni taansportado. Sin embargo,

generalmente requieren ms tiempo para su desarrollo, estn sujetos a la heterogeneidad de

las caractersticas de los suelos y acuferos y su eficacia es ms difcil de verificar.

3.2.1. TRATAMIENTOS BIOLGICOS:

Estos tratamientos utilizan bacterias, hongos y plantas para destoxificar las sustancias de

riesgo para el hombre y el m ^io ambiente. Para que los tratamientos de biorrecuperacin

de suelos sean efectivos no slo hay que tener en cuenta tactores biolgicos, como la

existencia de poblaciones microbianas susceptibles de transformar los contaminantes, la

presencia de nutrientes y oxgeno u otros aceptores de electrn^ alternativos, sino tambin

tactores ambiental^ como el tipo de suelo, la temperatura y el pH. Las estrategias de biorrecuperacin que foncionan en un lugar determinado no tienen por qu foncionar en

otro, y los procesos de biorrecuperacin que se llevan a cabo en el laboratorio puede que no

tengan el mismo xito cuando se e^apolan a los ^tudios de campo. 3

A. BIO^REMEDIACIN

La biorremediacin puede ser definida como el uso de organismos vivos, componentes

celulares y enzimas libres, con el fin de realizar una mineralizacin, una ttansformacin

parcial, la humificacin de los r&iduos o de agentes contaminantes y una alteracin del

estado redox de metales. Tambin puede definirse como la respuesta biolgica al abuso

ambiental. Utilizado para terrenos contaminados por agentes orgnicos como

hidrocarburos, p&ticidas, etc., tambin inorgnicos como metala pesados.

Los microbios son la base de la biosfera, son los ancestros de toda forma de vida, la vida

sin microbios no es posible. Los microbios son responsables de reciclar elementos crticos de la vida.La naturales tiene una cierta capacidad de limpieza de los elementos

16

contaminantes. 5 Microorganismos como levaduras, hongos o bacterias que degradan una

gran cantidad de sustocias txicas (esprcialmente efectiva en tratamiento de

contaminantes orgnicos, incluido el petrleo), reduciendo su carcter nocivo o incluso

volvindolas inocuas para el medio ambiente y la salud humana. La biorremediacin

consiste en acelerar este proceso natural para mitigar la contaminacin ambiental.6

Fundamento: El fondamento bioqumico de la biorremediacin se basa en que en la cadena

respiratoria, o transportadora de electrones de las clulas, van a producir una serie de

reacciones de xido-reduccin cuyo fin ^ la obtencin de energa. La cadena la inicia un

sustrato orgnico (compuestos hidrocarburados) que es extemo a la clula y que acta

como dador de electrones, de modo que la actividad metablica de la clula acaba

degradando y consumiendo dicha sustancia. Los aceptores ms comnmente utili^dos por

los microorganismos son el oxgeno, los nitiatos, el hierro (111), los sulfatas y el dixido de

carbono. Cuando el oxgeno es utilizado como aceptar de electrones la respiracin

microbiana se produce en condiciones aerobias, y los proc^os de biodegradacin sern de

tipo aerobio; sin embargo, si u tili^ los sulfatas o el dixido de carbono se produce en

condiciones reductoras o anaerobias, y los procesos de biodegradacin sern de tipo

anaerobio (Figura N 1 ).7

Degradacin aerobia:

Sustrato + O2 ^B iom asa + CO2 + H2O

Degradacin anaerobia:

Susfiato + (NO?-, S042-, Fe3+, Mn4+, C 02) ^ Biomasa + C 02 + (N2, Mn2+, S2+, Fe2+, CH4)

Figura N 1. Esquema de las reacciones.7

Clasificacin de procesos: Bsicamente, los procesos de biorremediacin pueden clasificarse en dos tipos:

17

1. Remediacin microbiana

Se refiere al uso de microorganismos directamente en el foco de la contaminacin. Estos

microorganismos pueden ya existir en ese sitio o pueden provenir de otros ecosistemas, en

cuyo caso deben ser inoculados en el sitio contaminado (proejo de inoculacin). Cuando

no & nec&aria la inoculacin de microorganismos, suelen adminisfrarse ms nutiient^ con

el fin de acelerar el proejo. Hay bacterias y hongos que pueden degradar con relativa

facilidad petrleo y sus derivados, benceno, tolueno, acetona, pesticidas, herbicidas, ter&,

alcoholes simple, entre Oteos. Tambin pueden degradar, aunque parcialmente, otros

compuestos qumicos como los PCB (bifenilos policlorados), arsnico, selenio, cromo. Los

metales pesados como uranio, cadmio y mercurio no son biodegradabl^, pero las bacterias

pueden concentearlos de tal manera de aislarlos para que sean eliminados ms fcilmente.8

2. Degradacin enzimtica

Consiste en el empleo de enzimas en el lugar contaminado con el fin de degradar las

sustancias nocivas. Dichas enzimas son previamente producidas en bacterias transformadas

genticamente. Esta aplicacin de la biotecnologa lleva dcadas en el mercado y hoy las

compaas biotrcnolgic^ ofrecen las enzimas y los microorganismos genticamente

modificados para tal fin.8

Factores que influyen: Para que las bacterias puedan eliminar las sustancias qumicas

dainas, el suelo debe tener la temperatura, los nuteient^ y la cantidad de oxgeno

apropiados. Esas condiciones permiten que las bacterias crezcan, se multipliquen, y

asimilen ms sustancias qumicas. Cuando las condiciones no son las adecuadas, las

bacterias crecen muy despacio o mueren, o incluso pu^en crear sustancias qumicas ms

dainas. 2La concentracin y composicin de la comunidad microbiana y la tasa de fransformacin

de contaminantes est influenciada por diversos factor^:

18

Nrcraidad de nutrientes: El metabolismo microbiano est orientado a la reproduccin de

los organismos y stos requieren que los constituyentes qumicos se encuenden disponibles para su asimilacin y sintetizacin. Los nucientes principalmente requeridos

son el fsforo y el nitrgeno. Por lo general suele haber en el suelo una concenfracin de

nucientes suficiente, sin embargo, si ratos no se encongasen en el rango normal se

puede adicionar mayor cantidad al m ^io. El rango normal de C:N:P depende del

sistema de tratamiento a emplear, siendo de modo habitual 100 :1 0 :1 .

pH del suelo: afecta significativamente en la actividad microbiana. El crecimiento de la

mayor parte de los microorganismos es mximo dentro de un intervalo de pH situado

entre 6 y 8. As mismo el pH tambin afecta directamente en la solubilidad del fsforo y

en el transporte de metalra pesados en el suelo.

Temperatura: generalmente las especies bacterianas crecen a intervalos de temperatura

bastante reducidos, enfre 15 C y 45 C, decreciendo la biodegradacin por

desnaturalizacin de las enzimas a temperaturas superiores a 50 C e inhibindose a inferiores a 0 C.

Humedad: los microorganismos requieren unas condiciones mnimas de humedad para

su crecimiento. El agua forma parte del protoplasma bacteriano y sirve como medio de

transporte a travs del cual los compuestos orgnicos y nucientes son movilizados hasta

el interior de las clulas. Un exceso de humedad inhibir el crecimiento bacteriano al

reducir la concenfracin de oxgeno en el suelo. El rango vara en foncin de la tcnica.

Esfructura qumica del hidrocarburo: la inherente biodegradabilidad de un hidrocarburo

depende, en gran m ^ida, de su rafructura m odular. Siendo los parmefros que ms

van a afectar: la halogenacin, la existencia de ramificaciones, la baja solubilidad en el

agua y la diferente carga atmica. 2

Los microorganismos pueden ayudar a eliminar la contaminacin de las aguas subterrneas,

al igual que del suelo. En este caso, el agua se mezcla con nutrientes y aire antes de ser

reinyrctada al terreno. Tambin pu^en bombearse nucientes y aire por los pozos, de forma

que la mezcla se produzca directamente en profondidad. Los nufrientra y el aire aadidos ayudan a Ira bacterira a biorremediar las aguas subterrneas. Una vez que se han eliminado

las sustancias qumicas dainas, las bacterias ya no tienen comida disponible y mueren.

19

La biorremediacin & muy segura, ya que depende de microbios que existen normalmente

en los suelos. Esos microbios son tiles y no repr&entan un peligro para las personas en el

sitio o la comunidad. Adems, no se emplean sustancias qumicas peligrosas. Los nutriente

que se aaden para que las bacterias crezcan son fertilizantes de uso corriente en el csped

o el jardn. La biorremediacin transforma las sustancias qumicas dainas en agua y gases

inofensivos. 2

Aunque la biorremediacin puede ser muy efectiva para procesos de descontaminacin, no

hay que olvidar que se frata de una tcnica paliativa, por lo que hay que apostar por una

poltica preventiva que minimice los riesgos de contaminacin. 6

En general la tasa de transferencia de masa de aceite (hidrocarburos) es menor que la tasa

de transferencia de oxgeno y la tasa de biodegradacin, adems es la etapa controlante de

la biorrem^iacin en suelo contaminado con hidrocarburos (Figura N 2). 9

" La degradacin altera la m ol^la r de Ircorgnicos y el g ^ o de a l^ ^ O T d^^mina si

% ha o m i ^ l t o w .

El P o tito ^^aibfuiiiBdn % refere a la d e ^ m ^ ^ ^ r de un m m p u ^o orgniro en similar.

tn mineralizaron produce mtaldescomposicinse

Figura N 2. Proceso de biofransformacin y minerali^cin.9

20

Como principales ventajas de la biorremediacin se pueden indicar las siguientes:

Es una tnica que por lo general es in situ, lo que evita la necesidad de extaaer el suelo,

e incluso el contacto de los trabajadores con el suelo o agua contaminados.

Evita la liberacin de gases dainos al aire y se generan muy pocos residuos.

Generalmente esta tcnica no requiere tanto equipamiento ni trabajo como la mayora de

los mtodos alternativos.

Los contaminante son usualmente convertidos a productos inocuos, no simplemente

transferidos a otaos medios ambientales.

Como inconvenientes, se pueden citar los siguiente:

No suele ser efectiva ms que en condiciones relativamente superficiales.

Presenta factore intansecos que la hacen inviable en determinados casos.

Las enmiendas introducidas al ambiente para incrementar la biorremediacin pueden

causar otros problemas de contaminacin.2

B. FITO^^MEDIACIN

Es el empleo de plantas para reducir in situ la concentracin y/o la peligrosidad de

contaminantes orgnicos e inorgnicos de suelos, sedimentos, aguas y aire, a partir de

procesos bioqumicos reali^dos por las plantas y sus microorganismos asociados que

conducen a la reduccin, minerali^cin, degradacin, estabili^cin y/o volatili^cin de

dichos contaminantes. 10

La Fitorremediacin utiliza la capacidad de ciertas epecies vegetales para sobrevivir en

ambientes contaminados con metales pesados y sustancias orgnicas y a la vez extraer,

acumular, inmovilizar o transformar estos contaminante del suelo. Las plantas utilizadas

en la fitorremediacin presentan mecanismos constitutivos y adaptados para tolerar o

acumular un elevado contenido de metales en su rizosfera y en sus tejidos. El xito de este

taatamiento et. controlado por la selecin de las epecies vegetale adeuadas para

21

recuperar un suelo determinado, as como de la cuidada seleccin de enmiendas (materia

orgnica, agentes quelant^, cal, etc.) que permiten mejorar las propi^ades del suelo y

fomenten la supervivencia y el crecimiento de las plantas.3

i. Fitoestabilizacin, consiste en la reduccin de la biodisponibilidad de los contaminantes

muante la revegetacin con especia vegetal^ tolerante a la toxicidad que inactiven los

contaminantes para reducir el riesgo para el medio ambiente y la salud humana e implica

una mejora mernica de las propi^ades fsicas del suelo y su protrccin frente a la erosin

y el transporte de contaminante. Por su parte, la Fitoinmovilizacin provoca la

La fitorremediacin e un tratamiento natural, limpio y econmico, alternativo a otros

procesos fsicos y qumicos ms invasivos. Se pueden distinguir cinco proceos bsicos de

contencin (fitoestabilizacin o fitoinmovilizacin) o eliminacin (fitoextraccin,

fitodegradacin, fitovolatilizacin y rizofiltracin) de contaminantes por los que las plantas

pueden ser empleadas en la recuperacin de suelos y aguas contaminada (Figura N 3) . 10

* uml cio i t parrei

r e a i c o l e c h a b l e s

F I T O P H E M E ( H * C I O t i f M B . ' P l i t ; '

f l OOfA c r o s f i n i a n #4 r i a a 1# m

l O f t H i f

dOTi y /o f i t a t s . . ACiOJ

FITOEH P .CCiOTi

Figura N 3. Procesos bsicos de la Fitorrem^iacin. 10

22

inmoviliracin y reduccin de la biodisponibilidad de los contaminante mediante la

produccin de compuetos qumicos en la interfez suelo-raz que inactiven las substancias

txicas, ya sea por procesos de absorcin/adsorcin o prrcipitacin.

ii. Fitoextraccin, tambin llamada fitoacumulacin, emplea la capacidad de las plantas

para exfraer el contaminante, principalmente metales, y acumularlo en sus races, tallos u

hojas. Una vez terminado el proceo, las plantas son retiradas junto con el contaminante y

destruidas o recicladas.

iii. Fitodegradacin, consiste en la degradacin de los contaminantes por la accin de las

plantas y de los microorganismos asociados a ellas. Los contaminante son metabolirados

dentro de los tejidos vegetales y las plantas producen enzimas, como la dehalogenasa y la

oxigenasa, que ayudan a catalizar la degradacin. En el caso de la Rizodegradacin o

Rizorrecuperacin, la degradacin tiene lugar alrededor de las races de las plantas en

contribucin con las poblacione rizomicrobianas. Las races liberan sustancias naturales

que suministran nutrientes a los microorganismos asociados como bacterias, levaduras y

hongos, estimulando su actividad biolgica.

iv. Fitovolatilizacin, cuando los rboles y plantas absorben agua contaminada con

compuestos or^nicos voltiles (COV), eliminando la gran mayora de los COV en la evotranspiracin de las hojas.

v. Rizofiltracin, que produce la absorcin de metales pesados en aguas contaminadas a

fravs de las rac^ de las plantas. Se reabran en invernaderos, a m ^ida que la planta se va

saturando con ^ tos metales, la planta se va cortando y separado para posterior tratamiento.

La fitorremediacin tambin se ha empleado para fratar p^ticidas, solventes, explosivos,

hidrocarburos aromticos policclicos y crudo. La fitorrem^iacin es un procedimiento

que no perturba en gran medida el suelo o el paisaje, ^ de fcil aplicacin, aunque pr^enta

inconvenientes como que es un proceso lento, ^ t limitado a suelos poco profendos, en

ocasiona las elevadas concentraciones de contaminantes pu^en ser txicas para las

23

plantas y requiere una buena gestin de la biomasa resultante para impedir que los

contaminantes entren en la cadena frfica. Entre los quelantes producidos por las planta se

encuentran los cidos orgnicos, particularmente cfoato, oxalato y malato; algunos

aminocidos, principalmente histidina; tambin metalotionenas y fitoquelatinas. Los dos

ltimos son los ms importante.3

1. Metalotionenas

Son polipptidos ricos en cistena, codificados genticamente. Se conocen tambin como

protenas de bajo peso molecular, y tienen una marcada afinidad por las formas inicas de

zinc, cadmio, mercurio y cobre. Estas protenas contienen largas fraccione de residuos de

cistena y muestran alto contenido metlico con iones coordinados en grupos metal-tiolato.

An no se ha determinado con precisin cul es la fondn biolgica de las metalotionenas

en las plantas. Sin embargo, parece que estn involucradas en el metabolismo y la

homeostasis de los metales vencales, ms que en la destoxificacin de metales pesados.

2. Fitoquelatin^

Son pptidos ricos en cistena sintetizados enzimticamente. Se derivan del glutatin y

consisten de slo tres aminocidos: cido glutmico, cistena y glicina.

24

A pesar de los numerosos estudios realizados, no se puede etablecer an con claridad cul

es papel de las fitoquelatinas. Sin embargo, se asume que su principal fondn tiene que ver

con la destoxificacin de metales no esenciales y metaloides con marcada afinidad por el

azufre. Igualmente, las evidencias sugieren que las fitoquelatinas tambin estn

involucradas en la homeostasis de los metales eenciales (micronutrientes), particularmente de hierro, cobre y zinc. Se sabe que una amplia variedad de metala pu^en inducir la

formacin de fitoquelatinas, entre ellos el cadmio (Figura N 4), nquel, cobalto, plomo,

plato, zinc, cobre, aluminio, arsnico, selenio, y mercurio. Sin embargo, la quelacin de

metales por fitoquelatinas slo ha sido verificada para unos cuntos elementos y en un

nmero r^ucido de plantas. En la Figura N 5 se representa equemticamente el complejo

fitoquelatina - cadmio, que involucra cuatro fitoquelatinas con tres cadenas de dipptidos,

en donde se puede apreciar que los residuos de cisterna se unen a los iones de cadmio.

El mecanismo de destoxificacin de metales es ms complejo que una simple quelacin. El

in puede activar la enzima fitoquelatina sintetasa, iniciando la formacin de las

fitoquelatinas, las cuales lo acomplejarn y entonces presumiblemente ser transportado a

las vacuolas, donde posiblemente formar una agregacin ms compleja con sulfuras y

cidos orgnicos. Si las plantas no fabrican las fitoquelatinas, los metales inhibirn su

crecimiento y consrcuentemente morirn.

La secuencia de eventos en el proceso de destoxificacin, as como el quelante involucrado,

estar determinada tanto por el tipo de metal como por la especie de la planto. As, las

plantas de Arabidopsis, una de las ms estudiadas, responden de manera diferente cuando

son expuetas a zinc y nquel; el primero es acomplejado por las metalotionenas, y el

segundo por las histidinas, demostrando que una misma planto puede desplegar

mecanismos altemos de destoxificacin, dependiendo del metal.

La mayora de los estudios sobre fitoquelatinas y metalotionenas se han concentrado en

plantas terrestres hiperacumuladoras de metoles y en plantas cultivables de importancia econmica. Sin embargo, a pesar de ser las ms estudiadas, an quedan muchas

interrogante por resolver sobre sus m ^^ism os de tolerancia y destoxificacin. Algunos

25

autora sealan que an falta por responder el papel de la fitoquelatinasintetasa y de las

fitoquelatinas en diferentes especies, y que el conocimiento de las bas& molrcular^ de la

biosntesis de fitoquelatinas ser til para optimi^r el proceso de la fitorremediacin. 11

Figura N 5. Representacin esquemtica del complejo fitoquelatina-cadmio. 11

3. Plantas hiperacumuladora de metala p iados

Todas las plantas poseen un potencial para absorber una amplia variedad de metala del

suelo pero la mayor parte de las plantas tienden solamente a absorber los que son vencales

para su supervivencia y darrollo. Existe una notable excepcin de esta regla de un

pequeo grupo de plantas que pu^en tolerar, absorber y translocar altos niveles de ciertos

metales, tas plantas reciben el nombre de hiperacumuladoras.12

Una definicin propone que si una planta contiene ms de 0.1% de Ni, Co, Cu, Cr y Pb o

1% del Zn en sus hojas sobre una base del peso seco, sta puede ser llamada una

hiperacumuladora, independientemente de la concentracin del metal en el suelo. Las

primera plantas hiperacumuladoras caracterizadas son miembros de las femilias

Brasssimceae y Fabaceae. El gran inters dpertado por 1^ plantas hiperacumuladoras,

espialmente para destoxificar un ambiente contaminado, obliga tambin a resolver otros

problemas relativos a otras disciplinas, hace hincapi en ello y dtaca que, cuando se

intensifique la investigacin conjunta de diversos rampos como botnica, fisiologa vegetal,

26

agronoma, qumica y gentica, probablemente se inicie un brillante faturo para la

fitorremediacin. El entorno de las plantas hiperacumuladoras revela la nrceidad de

impulsar mayores conocimientos multidisciplinarios que aumenten la rentabilidad y

eficacia de dichas plantas; sus aplicaciones son interesantes en muchas reas, y

particularmente importante en la proteccin del ambiente. 11

Ventajas

Es una tecnologa sustentable.

Es eficiente para taatar diversos tipos de contaminantes in sito.

Tiene una versatilidad potencial para tratar una gama diversa de materiales peligrosos.

No requiere personal esprcializado para su manejo ni consumo de energa.

No produce contaminantes secundarios y por lo mismo no hay necesidad de lugares para

desecho, se pueden rrciclar recursos (agua, biomasa y metales).

Tiene una alta probabilidad de ser aceptada por el pblico, ya que es hticamente

agradable.

Desventajas

Es un proceso relativamente lento (cuando las especies son de vida larga, como rboles o

arbustos).

Es dependiente de las e tacione, los contaminantes acumulados en las hojas pueden ser

liberados nuevamente al ambiente durante el otoo (especies perennes).

La solubilidad de algunos contaminante puede incrementarse, resultando en un mayor

dao ambiental o migracin de contaminantes.

Se requieren reas relativamente grandes.11

27

C. BIOT^ANSFO^MACIONDE M E T ^E S

Los microorganismos estn ntimamente relacionados con la biogeoqumica de los metala

a travs de una serie de procesos que determinan su movilidad y biodisponibilidad. La

interaccin entre microorganismos y mteles se puede examinar desde dos puntos de vista

la influencia de los metales sobre la poblacin microbiana cmo sus fondones y la

influencia adems el papel que juegan los microorganismos en la transformacin de los

metales. Al contrario de los compu&tos orgnicos txicos, los microorganismos no pueden

degradar metales o cualquier ofro compu&to inorgnico, pero s pueden controlar su

esprciacin y fransformacin a formas menos txicas muante mrcanismos de oxidacin,

reduccin, metilacin, dimetilacin, formacin de complejos, biosorcin y acumulacin

intracelular. En consecuencia, estos proc&os controlan la movilizacin o inmovilizacin de

metales en suelos y pueden ser utili^dos para realizar tratamientos de biorrecuperacin.

Los microorganismos pueden movilizar metales a travs de lavado, quelacin por

metabolitos microbianos y siderforos, transformaciones redox, metilacin y consecuente volatilizacin. Dichos procesos pueden dar lugar a la disolucin de compuestos metlicos

insolubles y mineral^, incluidos xidos, fosfatos, sulforos y menas metlicas, y a la

desorcin de los metales de arcillas o materia orgnica del suelo. As, determinadas

bacterias oxidante de hierro y/o azufre (Thiobacilliis thiooxidans, Ihiobacillus

ferrooxidans, teptospirillum fernooxtans) obtienen energa a travs de la oxidacin del

hierro ferroso y compuestos reducidos de azufre, acidificando los suelos como consecuencia de la produccin de cido sulforico y consrcuentemente solubilizando

sulforos metlicos y otros compuestos metlicos que pueden ser eliminados de los suelos

por lixiviado.

La inmovilizacin microbiana de m etala en suelos se lleva a cabo fondamentalmente a

fravs de los procesos de biosorcin y acumulacin infracelular, y precipitacin. El trmino

de biosorcin se utiliza para d&cribir la acumulacin pasiva de metales y elementos

radioactivos, solubles e insolubles, por materiales biolgicos mediante mrcanismos de

intercambio inico, adsorcin y microprecipitacin. Adems, la biosorcin tambin puede

28

proporcionar ncleos de cristalizacin para la formacin de minerales atables.

Actualmente, los biosorbentes incluyen tanto a la biomasa inactiva como a clulas activa y

biopolmeros y su tratamiento se suele realizar en biorreactores. Las ventajas de utilizar

biom^a activa son que se renueva a s misma, que el transporte intracelular puede dar lugar

a una mayor capacidad acumuladora de metales y que los productos metablicos excretados

pueden contribuir asimismo a la eliminacin de los metala. No obstante, el uso de biomasa

inactiva evita problemas de toxicidad, es ms barato que el uso de la biomasa activa, su

biosorcin suele ser ms rpida porque se realiza en la superficie de las membranas

celulares y no implica transporte dentro de la clula y la recuperacin de los metales

adsorbidos es sencilla y no destructiva, mientras que la recuperacin de los metales

acumulados denfro de clulas vivas slo se puede realizar en muchas ocasiones cuando la

clula es desfruida. La eficacia de los mecanismos de biosorcin depende de la

concentracin de los metales, de la temperatura, el pH y la presencia de otros cationes y

aniones. Los organismos biolgicos utilizados como biosorbentes son principalmente

bacterias, hongos y algas, y los ligandos qumicos implicados en el secuestro de metala

incluyen grupos hidroxilos, carbonilos, carboxilos, aminas, amidas, sulfihidrilos, tioteres y

fosfatos. Asimismo, estos microorganismos pueden producir una serie de compuestos tales

como polisacridos, cidos folvicos y hmicos o polmeros extracelularra que secuestran

metales como el Cr, Ni, Mo, Cd, Cu, Co y Zn.

Los microorganismos tambin pueden inmovili^r metales pesados a travs su capacidad

para reducir estos elementos a un estado redox ms bajo, generando esprcies metlicas

menos bioactivas y con claras aplicaciones en biorrecuperacin (Figura N 6). En este

proceso, los microorganismos utilizan los metales como aceptores de electrones y acoplan su reduccin a la oxidacin de cidos orgnicos, alcoholes, H2 o compuestos aromticos,

con lo que rete proceso tambin p u ^ e contribuir a la biodegradacin de compuestos

orgnicos txicos. La precipitacin microbiolgica de metala puede ser tanto el raultodo

de la reduccin diferente microbiana, en la que la forma metlica raultente termina en el

medio extracelular, como la consecuencia secundaria de proc^os metablicos no relacionados con el metal en cuestin. Por ejemplo, el Tecnecio Te (Vil) puede ser

reducido a su forma insoluble Te flV) directamente por Geobacter sulfarneducens o bien

29

acoplado a la oxidacin de Hierro Fe (II) anteriormente biorreducido. Hay diversos

organismos que pueden llevar a cabo la reduccin diferente de metales como el uranio,

vanadio, selenio, cromo, trcnrcio, molibdeno, cobre, oro, mercurio o plata. Geobacter

metallireducens, una de las bacterias pertenrcientes a la familia Geobacter aceae,

considerados los microorganismos reductores metlicos ms abundantes en la

subsuperficie, ^ capaz de conservar energa a partir de la reduccin de U (VI) a U (IV) y

de V (V) a V (IV) y se ha comprobado que la estimulacin de la actividad de Geobacter

aceae en la subsuperficie mediante la adicin de un donador de elecfrones como el acetato

induce la precipitacin de estos metala en sedimentos contaminados in situ. Las

perspectivas feturas en la biofransformacin de metales con aplicacin en bionecuperacin

incluyen el avance en ingeniera gentica y la adaptacin de las metodologas actuales a los

problemas de contaminacin reales a gran escala. 3

D. BIOVENTING

El bioventing ^ una tcnica in sitn de recuperacin biolgica que implica la inyeccin a

travs de pozos de aire (u oxgeno) y, si es nectario, tambin de nutriente para estimular la actividad microbiana biodegradadora (Figura N 7). Este tratamiento utiliza los

microorganismos indgenas para biodegradar compuestos orgnicos adsorbidos en los

30

suelos de la zona no saturada, al confrario que el proceso de bios^rging que realiza lo

mismo pero en la zona saturada. El bioventing ^ parecido a la extraccin de vapor del

suelo pero, a diferencia de este ltimo, ta ta de potenciar lo ms posible la biodegradacin y

minimitar la volatilitacin de los contaminantes.

Cualquier sustancia biodegradable aerbicamente es susceptible de ser tratada con

bioventing. En particular, esta tcnica, al igual que el bios^rging, est especialmente

indicada para hidrocarburos del peleo, en especial de peso mediano porque los ligeros

tienden a volatilizarse rpidamente y se tratan mejor con la extraccin de vapor, mientras

que los hidrocarburos ms pesados tardan ms en biodegradarse. No obstante, tambin ha

sido aplicada con xito para biodegradar explosivos como el DDT y el DNT en condiciona

anaerobias utilitando hidrgeno como donador de entrones. Los dos factores que

fendamentalmente controlan el fencionamiento de este sistema son la permeabilidad del

suelo, que facilita el transporte de oxgeno, y la biodegradabilidad del compuesto orgnico,

que determina la velocidad y grado de la degradacin. 3

Tambin es una prometedora tn ica que se utilita para estabilizar o eliminar

contaminantes inorgnicos (cambio de estado de valencia, cambio en movilidad) .12RCTo^ue de

Control deSoplador emisiones

Matriz de vratilaciiFigura N 7. Proceso de Bioventing. 12

31

E. LA N D F A M IN G

Se trata de un tratamiento de recuperacin biolgica practicado en todo el mundo desde

hace un siglo, que reduce la concentracin de hidrocarburos del petrleo de peso mediano

que no pueden ser eliminados por evaporacin pero que s pueden ser degradados por

microorganismos. Generalmente, el suelo se excava y se extiende en una delgada capa

(Figura N 8) sobre la superficie del lugar donde se est realizando la recuperacin y se

estimula la actividad microbiana aerbica mediante aireacin y/o adicin de nutrientes,

mineralre y agua La aireacin se consigue a travs de labranza o arado del terreno. Es

frecuente la adicin de bacterias alctonas degradadoras de hidrocarburos para acelerar el

proceso y la retimulacin de la actividad de los microorganismos incrementa la

degradacin de los productos de petrleo adsorbidos. Este tratamiento ha sido aplicado con

resultados prometedores en estudios piloto para degradar el explosivo pero, dado que el

TNT y sus derivados son soluble, su aplicacin in sito requerira un estricto control

hidrulico del agua infiltrada. Este proceso requiere que el suelo ret bien mezclado para

aumentar la superficie de contacto entre los compuestos orgnicos y los microorganismos,

y suficientemente oxigenado para que se produzca la biodegradacin aerbica, pudiendo

aadirse nuevos aportes de suelo con hidrocarburos para su degradacin y el mantenimiento

de la actividad biolgica. Este tratamiento presenta una serie de limitaciones, generalmente

relacionadas con parmetros que puedan desacelerar la actividad biolgica durante la

biodegradacin.13f T ik fte l d e p o li (o p c io n a D

deimcfbn

Figura N 8. Proceso de landfarm ing.13

32

F. BIOPILAS

El Andamento del biotratamiento ^ relativamente sencillo. Consiste en potenciar la

biodegradacin de los hidrocarburos, que de forma natural se produce en el suelo, como

consecuencia de la existencia de microorganismos autctonos (bacterias, hongos, levaduras,

etc.) degradadores. Por lo tanto, para que el sistema tenga xito hay que asegurar que los

suelos de forma natural presentan un adecuado volumen de poblacin bacteriana y que las

condiciones ambientales dentro de la biopila son las adecuadas (humedad, temperatura

entre 54 - 65 C, pH, contenido en nutrientes, toxicidad, etc.).13

Los suelos contaminados con estos compuestos orgnicos son apilados en montones o pilas

suc^ivas y se estimula la actividad microbiana aerobia mediante aireacin y adicin de

nutrientes, minerales y agua, obteniendo la degradacin a travs de la respiracin

microbiana (Figura N 9). La aireacin del material no se consigue arando el terreno sino

forzando la circulacin de aire mediante su inyeccin o extraccin a travs de conductos

perforados empleados dentro de la pila de material. Estas pilas se suelen cubrir para

prevenir la escorrenta, la evaporacin y la volatilizacin y para promover el calentamiento

por el sol. El periodo de tratamiento de esta trcnologa biolgica es corto, puede durar

desde unas pocas semanas a unos pocos meses y adems de para compuestos del petrleo,

tambin se puede utilizar para compuestos orgnicos voltiles halogenados y no

halogenados, compuestos orgnicos semivoltiles y pesticidas.3

33

G. COM POSTAI

El compostaje es un proceso biolgico que consiste nuevamente en estimular la actividad

biodegradadora, aerobia y anaerobia, de microorganismos indgenas bajo condiciona

termoflicas que permita transformar compuestos orgnicos txicos en sustancias inocuas.

Para ello, los suelos contaminados son excavados y mezclados con residuos animales y

vegetales como abonos, estircol, paja, frozos de madera, etc., que proporcionan una

porosidad ptima y un balance adecuado de carbono y nigeno. El calor generado

metablicamente con ^ te proceso es afrapado dentro de la matriz del compostaje, lo que da

lugar a la elevacin de la temperatura caracterstica del compostaje. Una vez que se ha

realizado la descomposicin microbiana, se produce un efecto de enfriamiento debido al

descenso de la actividad microbiana cuando todo el carbono orgnico presente ha sido

utilizado (Figura N 10). La eficacia del proceso biodegradador se consigue controlando

parmetros como el contenido en oxgeno, humedad y temperatura. Este tratamiento se

puede realizar sobre el terreno, con el material contaminado apilado y aireado con bombas

de vaco, o en reactores. El compostaje termofilico aerbico se ha visto que es eficaz para

reducir la concenfracin de explosivos (TNT, RDX y ^MX) hidrocarburos aromticos

policclicos, hidrocarburos del pefrlro, clorofenoles y pesticidas.3

Residuos orgnicos + 02 microorganismos C02 + H2O + Calor + Compostaje

Figura N 10. Tratamiento de compostaje.5

34

H. LODOS BIOLGICOS

flKriiuicinde tleihJoi

Es otro tratamiento de biodegradacin en el que el suelo contaminado & excavado,

tamizado para eliminar los elementos gruesos y mezclado con agua y otros aditivos en un

biorreactor controlado. La mezcla del lodo r&ultante mantiene a los slidos en suspensin

y a los microorganismos biodegradadores en contacto con los contaminantes (Figura N

11). En estos biorreactores se controlan parmetros que pueden limitar el crecimiento

microbiano en la naturaleza como la disponibilidad de substratos, nutrientes y oxgeno, la

temperatura, el pH y la humedad. mismo, el p roejo de mezcla facilita la

homogeneidad del material contaminado para evitar la concentracin de los contaminante

en bolsadas. Adems de procesos de biodegradacin, tambin pueden actuar mecanismos

de adsorcin/deorcin, disolucin/precipitacin, intercambio inico, complejacin,

transferencia de oxgeno, volatili^cin y reduccin del tamao de partcula. Las tasas de

biodegradacin dentro de estos biorreactores son rpidas, a veces de menos de un mes. Se

suelen aadir oxgeno y nucientes, as como cidos o lcalis para controlar el pH y

microorganismos no indgena si la poblacin autctona no es suficientemente activa.

Cuando termina el proceso, el lodo & desecado mediante filtoos, lechos secantes o

centrfegas y el suelo tratado es eliminado. Este sistema ha r&ultado satisfactorio para

recuperar suelos contaminados con explosivos, hidrocarburos del petrleo, petroqumicos,

solventes, pesticidas, etc.14

Trmi'iimt balayo

OcCYfcatin y floirir dtbuflfcfcif'iQ

KHHOA y nMuLitl&nrir*jfcK w-twjrim

CBrigtno

HjItui

Figura N 11. Esquema del sistema de biorrecuperacin m u an te lodos biolgicos.

35

3.2.2. TRATAMIENTOS TRMICOS

A. INCINERACIN

Se frata de un tratamiento ex sito en el que los contaminantes son destruidos mediante el

suministro de calor (Figura N 12). El suelo se somete a elevadas temperaturas, alrededor

de los 1000 C, con el fin de oxidar y volatilizar los compuestos orgnicos contaminante.

Este proceso genera gases y cenizas residuales, orgnicos (hidrocarburos aromticos

policclicos y sulfarados, compuestos oxigenados, compuestos aromticos nitrogenados,

etc.) e inorgnicos (mteles pesados voltiles, CO2, NOx, SOx) que deben ser depurados.

Los hornos de combustin ms utili^dos emplean aire a alta velocidad (Circulating Bed

Combustors y Fluidized Bed Combustors), infrarrojos (lnfrared Combustors) y sistemas

rotativos (Rotary kilns) (USEPA, 1998). Est indicado para recuperar suelos contaminados

con explosivos y residuos peligrosos, particularmente hidrocarburos dorados, PCB y

dioxinas, aunque su reutili^cin es muy limitada porque este tratamiento destruye la

estructura del suelo.3

Figura N 11. Esquema del proceso de incineracin.3

B. DESORCIN TRMICA

Se trata de otro tratemiento trmico ex sito en el que se somete al suelo a unas temperaturas

ms bajas (90 - 320 C, desorcin trmica de baja temperatura; 320 - 560 C, d^orcin

trmica de alta temperatura) para conseguir la d^orcin en vez de la d^fruccin de los

conteminantes que persigue la incineracin (Figura N 13). Las temperaturas empleadas

36

estn elegidas para volatilizar contaminantes orgnicos pero no para oxidarlos. En concreto,

durante la desorcin trmica de baja temperatura, el suelo retiene sus propi^ades fsicas y

sus componentes orgnicos, lo que hace posible que pueda conservar su capacidad para

soportar fatura actividad biolgica. Mediante la desorcin trmica de baja temperatura se

pueden recuperar suelos contaminados con compuestos orgnicos voltiles no halogenados,

combustibles y en a lanos casos compuestos orgnicos semivoltiles. Mediante la

desorcin trmica de alta temperatura se pueden tratar las sustancias anteriores adems de

hidrocarburos aromticos policclicos, PCBs, pesticidas y metales pesados voltiles como

el Hg y el Pb (USEPA, 1994).3

3.2.3. TRATAMIENTOS MIXTOS

A. EXTRACCIN MULTIPLE

Consiste en extraer simultneamente in situ, mediante zanj^ o pozos, sustancias

contaminantes que estn presentes en el suelo en fase vapor (compuestos orgnicos

voltiles), fase lquida (en disolucin) y, esprcialmente, compuestos no acuosos en fase

libre. De acuerdo con USACE (1999), la exaccin p u ^ e ser: dual, con diferentes bombas a fravs de conductos separados; de dos fases, con una bomba en un solo conducto; o se

puede emplear el bioslu^ing, una innovadora tcnica de rrcuperacin que permite la

tie ^ cmiwmiM

AMHCHtKOM -PVICOUetrtTtON __A U M ^ ^ s

F ft T * 0 I>t M AN;GAS

CON T lit TI CONTINUO

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T IE ^ ^Chi btkea

Figura N 13. Proceso de Desorcin Trmica.7

37

extraccin de LNAP ligeros a la superfcie,junto con gas^ y p^ueas cantidades de agua.

El bioslu^ing es una variante de la exttaccin de dos foses que combina el bombm de

vaco para eliminar los compuestos en fase libre junto con cierta cantidad de agua, la

extraccin del vapor del suelo que arrastra compuestos voltiles y el bioventing, focilitando

la biorrecuperacin aerobia de hidrocarburos. Se frata de una tcnica que se puede aplicar

en suelos de textura gruesa y fina y a profendidades del agua subterrnea variables, de hasta

ms de 30 m, aunque ^ nectario que el material sea permeable, que tenga un contenido en

humedad equilibrado (mucha humedad dificulta la permeabilidad del aire y disminuye su

capacidad de transferir oxgeno, mientas que la escasa humedad puede dificultar la

actividad microbiana) y que la temperatura no sea muy baja. Puede requerir el posterior

tratamiento del agua y los gas^ extrados.3

B. A T E ^ A C I N N A T ^ ^ L

La atenuacin natural, tambin llamada recuperacin pasiva o infrnseca, se est utilizando

cada vez ms dado que se frata de un mtodo de recuperacin de suelos y aguas

conraminadas. No obstante, a pesar de que puede ser utilizado en lugares muy variados,

raramente se suele aplicar de forma individual puesto que ^ un tratamiento mucho ms

lento que los que utilizan Enologas ingenenles. De acuerdo con la USEPA (1999), la

atenuacin natural consiste en utilizar procesos naturales para contener la propagacin de la

conraminacin proc^ente de los vertidos qumicos y reducir la concentracin y la cantidad

de los agentes txicos en las zonas contaminada. Los proc^os natarales que se invocan

para la recuperacin son biolgicos, como la biodegradacin aerobia, anaerobia y co -

metablica, y proc^os fsico-qumicos como la volatilizacin, dispersin, dilucin,

desintegracin radioactiva, ^tabili^cin qumica y bioqumica, precipitacin y sorcin en

partculas de materia orgnica y arcillas del suelo. El xito de cada proceso de atenuacin

natural depender de las caractersticas geolgicas, hidrolgicas y microbiolgicas de la

zona afectada.

L ^ reacciones y fransformaciones que tienen lugar durante los procesos abiticos

dependen de 1^ propiedades fsico-qumicas del contaminante y del suelo y, tanto para

38

sustancias inorgnicas como orgnicas, incluyen reacciona de hidrlisis y oxidacin-

reduccin, formacin de dobles enlaces y de hidrohalogenacin. Adems de la

biodegradacin de compuestos orgnicos, los microorganismos pueden influir en la sorcin

de compuestos orgnicos y mteles en suelos y sus productos pueden incluso actuar como

quelantes de metales en suelos contaminados. La atenuacin natural se aplica

principalmente para tratar compuestos BTEX (benceno, tolueno, etilbenceno y xileno) y

ms recientemente hidrocarburos clorados.3

3.2.4. TRATAMffiNTOS FISICOQ^MICOS

A. EXTRACCIN

Son tcnicas tpicamente aplicadas in siti que tienen como objetivo separar los

contaminantes del suelo para su posterior tratamiento depurador. Son tratamientos sencillos

que requieren que los suelos sean permeables y que las sustancias contaminantes tengan

suficiente movilidad y no estn altamente adsorbidas en el suelo. Segn con qu elementos se realice la extraccin, se habla de:

1. EXTRACCIN DE AIRE

Se emplea para exteaer los contaminantes adsorbidos en las partculas de suelos no

saturados mediante su volatilizacin o evaporacin a travs de pozos de exteaccin

verticales y/u horizontales que conducen el aire con los contaminantes a la superficie.

All, pueden ser tratados en plantas epecializadas (generalmente adsorbidos a carbono) o

ser degradados en la atmsfera de forma natural. La volatili^cin de los contaminante

tambin se puede ver favorecida por prcticas como el arado, y el riego puede confobuir a

la solubilizacin y desorcin de contaminante que pu^en ser arrastrados a la superficie

por evaporacin (Figura N 14). Esta tcnica esfa indicada para suelos contaminados con sustancias voltiles y semivoltiles como hidrocarburos ligeros derivados del petrleo,

algunos disolventes no clorados, hidrocarburos aromticos policclicos ligeros y

39

compuestos organoclorados voltiles. Sin embargo, no se recomienda para hidrocarburos

pesados derivados del pefrlro, PCBs, dioxinas o metales. A vec^ se puede aumentar el

rendimiento de este tratamiento estimulando la extraccin de aire con temperatura,

generalmente mediante la inyeccin de aire caliente.3

g ^

totemiento de gases

superficie del terrenopozos extraccin

rom per

a ire aire

srelo con^^mado

Figura N 14. Proceso de extraccin de aire.

2. EXTRACCION DE AGUA

Es una tcnica empleada principalmente para acuferos contaminados que consiste en

extraer el agua contaminada del suelo y del subsuelo, tanto de la zona saturada como de la

zona no saturada. Cuando se trate la zona saturada, el agua ^ bombeada a la superficie para

su posterior tratamiento, conocido con el trmino de Pump & Treat. Cuando se busca actuar

sobre la zona no saturada, normalmente se hace una inyeccin previa de agua, por gravedad o a presin, que arrasfre y lave los elementos conteminantes del suelo y que los almacene

en la zona saturada para ser posteriormente bombeada a la superficie. Esta inyeccin de

agua se puede ver reforzada con la adicin de disolventes o compuestos qumicos que puedan favorecer la desorcin de los contaminantes del suelo como tensoactivos, para

eliminar compu^tos orgnicos de baja solubilidad; hidrxido sdico, para disolver la

materia orgnica del suelo; solventes soluble en agua como el metanol; sustitucin de cationes txicos por catin^ no txicos; agentes complejantes como el EDTA; cidos y

bas&, que d&orben mteles y algunos compuestos orgnicos y sales; y agentes r^ucto r^

40

y oxidantes que incrementen la movilidad de los contaminantes. De esta forma, el tipo de

suelo, su pH, la capacidad de intercambio catinico, el tamao de partcula, la

permeabilidad, etc., son paramemos que determinan la eficacia de la desorcin.

Normalmente, los sistemas de Pump & Treat se utilizan para aguas subterrneas

contaminadas con compuestos orgnicos voltil^ y semi voltiles, combustibles y metala.

Dependiendo del terreno, del tipo de contaminacin y de la recuperacin que se quiera

realizar, la extraccin de agua se puede llevar a cabo mediante pozos, a los que se 1^

acopla un sistema de bombeo para extraer grandes caudales; drenes, que permiten una

mayor superficie de contacto con la zona contaminada y que son empleados especialmente

en terrenos de baja permeabilidad; y ^njas de drenaje, tambin utili^das en terrenos poco

permeables, con niveles freticos poco profondos y extraccin de caudal^ ms pequeos.

En cualquier caso, una vez fratada, el agua extrada puede ser parcialmente re-infifoada en

el suelo para contrarrestar efectos negativos de la extraccin como la elevada bajada del

nivel fretico, el posible asentamiento del suelo, ecosistemas daados por prdida de

humedad, etc. Este tratamiento es muy comn pero no ^ el ms eficiente puesto que no es aplicable en terrenos fracturados o suelos arcillosos, el agua no se descontamina totalmente

para su consumo humano y presenta limitaciones por el tiempo de ejecucin.3

3. EXTRACCIN DE FASE LIBRE

Se aplica en suelos contaminados con hidrocarburos en fase libre, situados por encima del

nivel fretico. Normalmente se extraen mediante pozos vertical^ a los que fluye el

contaminante, a profondidades del nivel fretico superiores a 80 m, y que pueden extraer

slo la fase libre, la fase libre y agua simultneamente, o una mezcla de ambos. Los

quipos que exfraen nicamente fose libre utilizan generalmente bombas de skimmer

(bomba de aire), situadas a una profondidad que se corresponda con la interfose agua-fose

libre, con un filtro en su interior que focilita el paso selectivo de sustancias orgnicas en

foncin de su densidad. Los skimmers que separan hidrocarburos ligeros foncionan con

esp^ores de la interfase agua-fose libre muy p^ueos, mientras que los skimmers utilizados para separar hidrocarburos pesados r^uieren un ^pesor mnimo de 3 cm. Los

sistemas de bombeo dual exfraen el agua y la fase libre separadamente mediante dos

41

bombas diferentes situadas a distintas profendidades del pozo, de forma que la bomba que

extrae el agua debe emplazarse por debajo de la interfase agua-fose libre y la bomba que

extrae la fose libre por encima. La extraccin de fluidos totales, que exfrae una mezcla de

agua y fose libre en casos de homogeneizacin del contaminante con el agua o de espesores

muy pequeos de la fose libre en suelos poco permeables, utiliza una nica instalacin de

bombro, bien sumergida o bien bombas de vaco instaladas en superficie. Esta exfraccin

requiere la posterior separacin de las dos foses.

Otra tcnica que permite recuperar la fase libre en zonas poco profondas o donde la

construccin de pozos presenta dificultad consiste en la excavacin de una ^nja.

Generalmente se emplaza a una cota ms baja que la de la zona contaminada, a la que fluye

la mezcla de agua y fose libre y donde se realiza un bombeo dual de ambas foses por

separado o conjunto, que requiere su posterior separacin. Esta metodologa debe tener en

cuenta la presencia de compuestos orgnicos voltiles susceptibles de contaminar la

atmsfera, que deberan ser exfrados por aire como paso previo al bombeo.La fose libre

extrada con ^ ta tcnica puede ser recuperada como hidrocarburo y reutilizarse en

refineras o como combustible siempre y cuando tenga la calidad suficiente.Exfraccin de

foses densas a lanos contam inte como los disolventes dorados, algunos PCBs,

fenantreno, naftaleno y los fenoles son ms densos que el agua y se acumulan por debajo

del nivel fretico, en la zona de contacto con los materiales menos permeable subyacente.

Estas sustancie, poco soluble y difcile de degradar, pu^en generar plumas de

contaminacin que ocupan grande volmene. Su extraccin se reali^ a travs de pozos, a

veces inyectando disolventes en la zona contaminada que favorezcan la circulacin de los

contaminantes hacia el pozo, y dependiendo del mtodo de extraccin pueden ser extradas

en solitario con bombas de skimmer, mezcladas con el agua (con la consiguiente

disminucin del rendimiento de la extraccin), o por bombeo dual de am b^ foses por

separado. Como asprcto negativo, el bombeo de estos compuestos densos ^ t asociado con

elevados consumos energticos.3

42

Extraccin con disolventes y cidos

Este tratamiento, aplicado ex situ, se basa en la exfraccin de los contaminantes mediante la

mezcla en un tanque del suelo con un disolvente orgnico como acetona, hexano, metanol,

ter dimetlico y trietilamina. El disolvente orgnico arrastra los contaminante y se separa

del suelo por evaporacin, y mediante la adicin de nuevos disolvente o destilacin los

contaminantes se eliminan para que el disolvente orgnico empleado pueda ser reutilizado.

A su vez, el suelo tratado se lava para arrastrar cualquier resto que pueda quedar del

disolvente. Con esta tcnica se obtienen muy buenos resultados para eliminar compuestos

orgnicos como PCBs, COVs, disolventes halogenados, hidrocarburos derivados del

petrleo y compu^tos organometlicos, aunque se debe de tener en cuenta la posible

toxicidad del disolvente empleado y los residuos de su posterior tratamiento para ser

reutilizado. De igual forma se utiliza el cido clorhdrico para exfraer metales pesados de

suelos contaminados. El suelo, previamente tami^do para eliminar las gravas, se mezcla

con el cido y cuando finaliza el tiempo de extraccin, el suelo se lava con agua para

eliminar los restos de cido y metales. La solucin extractante se puede reutilizar usando

agentes precipitantes de metales como el hidrxido sdico o cal. Despu& del tratamiento,

se debe neutrali^r cualquier resto de cido en el suelo con la adicin de cal o fertilrantes

(USEPA, 1990).3

B. LAVADO

El lavado de suelos ^ un tratamiento generalmente ex sint en el que el suelo excavado es

previamente separado fsicamente por tamizado, densidad o gravedad para eliminar las

partculas de grava ms gruesas, con poca capacidad de adsorcin, de la fraccin fina y

seguidamente lavado con exfractantes qumicos que permiten d^orber y solubilizar los

contaminantes (Figura N 15). Despus del fratamiento qumico, el suelo se vuelve a lavar

con agua para eliminar los contaminantes y agentes extractante residuales y se devuelve a

su lugar de origen. La eficacia de e te tcnica depende del grado de adsorcin del contaminante, confrolado por una serie de propi^ades del suelo como el pH, la textura, la capacidad de intercambio catinico, la mineraloga o el contenido en materia orgnica y

43

otros factores como el tiempo que hace que el suelo est contaminado o la presencia de

otros elementos txicos.

GQtjlaniitfiiirfu

Figura N 15. Proceso de lavado de suelos.3

agente de la va to

lo d o s arcillosos y li^re^s parafraccin g r o ^ a r e ^ c h a d a

:

flota dofde espumahu tac ir Imi Liarifii .irliif

tratam iento aguas

iag u a lim p ia

El lavado de suelos se utiliza fandamentalmente para suelos contaminados con compuestos

orgnicos semivoltiles, hidrocarburos derivados del petrleo y substancias inorgnicas

como cianuros y metales pesados, y & menos eficaz para tratar compuestos orgnicos

voltiles y pesticidas. Las substancias extractantes utilizadas pueden ser cidos, bases,

agentes quelantra, alcoholes, surfactantes y otros aditivos como sales. Se ha visto que

agentes quelantes como el cido etilendiaminotefraactico (EDTA), el cido cnico y el

cido nitrilotriactico (NTA), y otros cidos como el cido clorhdrico son eficaces a la

hora de eliminar Cu, Pb y Zn de suelos contaminados. Asimismo, los surfactantes

(compu^tos con una parte hidrofbica y una parte hidrofilica de naturaleza catinica,

aninica y biolgica) son eficaces a la hora de separar los compuestos no acuosos de fase

lquida del agua y compuestos derivados del petrleo.3

44

C. FLUSHING

El flushing es un ^atamiento in situ que consiste en inundar los suelos contaminados con

una solucin que transporte los contaminantes a una zona determinada y locali^da donde

puedan ser eliminados. As, los contaminantes son extrados del suelo hacindole pasar

agua u ofias soluciones acuosas mediante un sistema de inyeccin o infiltracin. El agua

subterrnea y los fluidos exfiactantes se capturan y bombean a la superficie utili^ndo

pozos de extraccin, donde son tratados y, en ocasiona, reciclados (Figura N 16). El

flushing se aplica a todo tipo de contaminantes, esprcialmente a compuestos inorgnicos

incluidos los elementos radioactivos, y se suele combinar con otros tratamientos como la

biodegradacin y el pump & treat. Asimismo, es difcil de aplicar en suelos de baja

permeabilidad o ricos en elementos finos y requiere una vigilancia estrecha para impedir

que los contaminantes migren en otra direccin distinta a la deseada.

Figura N 16. Tratamiento in situ deflushing.3

D. ADICIN DE ENMIENDAS

Los suelos contaminados por sales o metala p iados pueden tambin recuperarse in situ

aadindola sustancias orgnicas e inorgnicas y mezclndola con los horizontes del suelo para transformar los contaminante. Entre las etrategias de descontaminacin de

45

suelos salinos est la adicin de compuetos qumicos (o la utili^cin de agua de riego)

que contengan Ca para que substituya al Na y el empleo de reiduos or^nicos. Est

demostrado que la adicin de materia orgnica a suelos salinos puede acelerar el lavado de

Na, disminuir el porcentaje de sodio intercambiable y la conductividad elctrica e

incrementar la infiltracin de agua, la capacidad de retencin de agua, la estabilidad

estructural, la biomasa del suelo y diversas actividades enzimticas. Por otro lado, la

adicin de carbonatos, zrolitas, fosttos, minerales de hierro, bentonitas, hidrxido clcico,

compost o levaduras tambin ha sido empleada a la hora de inmovilizar y reducir la

biodisponibilidad de m etala txicos como el Pb, U, As, Zn, Ni, Sr, Cu y Cd. Los

mecanismos de secuestro de metales en suelos por estas enmiendas no se conocen por

completo. Aunque los experimentos en campo indican la eficacia de estos ^atamientos de

inmovili^cin in situ, existen dudas sobre si estos mecanismos de recuperacin son

permanentes o reversible en el tiempo. Si el tratamiento in situ induce su efecto a travs de

un cambio de pH, dando lugar a una mayor precipitacin o adsorcin, entonces una

reacidificacin del suelo podra aumentar de nuevo la biodisponibilidad de los metales y su

toxicidad. Sin embargo, si 1^ enmiendas promueven el srcuestro de metales en formas no

lbiles en suelo, atrapados en las estructuras de las arcillas o complejados por enlaces

covalente, entonces la inmovilizacin de los metales puede ser mucho ms duradera.3

E. BARRERAS PERMEABLES ACTIVAS

Esta novedosa tnica desarrollada en la ltima dcada, se basa en la instalacin in situ de

una pantalla perpendicular al flujo de la pluma de contaminacin a travs de la cual pasa el

agua subterrnea contaminada y cuyo material de relleno puede adsorber, precipitar o

degradar bitica o abiticamente los contaminantes. Las barreras que con ms xito se han

aplicado hasta el momento son las rellenadas con elementos metlicos de valencia cero

(Figura N 17) como el hierro para la degradacin abitica mediante procesos de

oxidacin-reduccin de disolvente dorados como el tricloroetano o tetracloroetano,

metales tra ^ y radioactivos y contaminante inorgnicos como nitratos y sulttos. Otras barreras favorecen la actividad de los microorganismos del suelo para biodegradar

compuestos orgnicos txicos, empleando mezclas de nucientes y substratos, en ocasiones

46

combinadas con barreras hidrulicas que dirijan el flujo subterrneo. La adsorcin de

contaminantes se puede conseguir utili^ndo barreras de carbn activo o arcillas y tambin

se ha observado la precipitacin de contaminantes inorgnicos como el fsforo P en medios

eutrofizados y plomo Pb utilizando p^tallas de calcita.3

Figura N 17. Barrera permeable activa para eliminar metales txicos del agua

subterrnea.10

F. INYECCIN DE AmE C O ^ ^ M D O

Tiene como objetivo separar los contaminantes disueltos en el agua en forma de vapor. La

inyeccin in sito de aire comprimido a trav& de pozos volatiliza los contaminantes

disueltos en el agua subterrnea y provoca su despl^m iento en forma de vapor hacia la

zona no saturada, promoviendo tambin la biodegradacin al aumentar las concentraciones

subsuperficiales de oxgeno. Posteriormente, el aire contaminado que migra a la zona no

saturada debe ser e^rado y depurado en superficie, generalmente con filtros de carbn

activo (Figura N 18). Al igual que en el caso de la extiaccin de aire, esta tcnica ^ t

indicada para tratar suelos y aguas subterrneas contaminadas con solventes clorados,

sustancias voltiles y semivoltil^ de bajo peso molecular como xileno, benceno, tolueno, tetiacloruro de carbono, teicloroetano, cloruro de metilo, etc. Para aplicar esta tcnica ^

n ^ ^a rio eliminar la fase libre ant^ de extaer el aire y no es operativa en acuferos

47

confinados, donde los contaminantes no pueden desp l^rse hacia la zona no saturada. Con

objeto de facilitar el movimiento del aire inyrcfado, el suelo debe ser suficientemente

permeable y poco humectado y presenta el inconveniente de su elevado consumo

energtico.3

aireatmosfrico

superfcie del te ra n o

CSmpiFMI

pozo de i ^ ^ c i n de aire

depurado

w ^ i a ^ r compresoraire-agua

ttafm ientode gases

^ z o de extraccin de aire

nivel fretico- i__

Figura N 18. Proceso de inyrccin de aire comprimido.

G. ELECTRORREMED1AC1N

La remediacin elrcfrocintica o elecfrorremediacin se ver en la parte 4.

48

PARTE 4. TEORIA DE ELECTROCINETICA

APLICADA A LA REMEDIACION

DE SUELOS.

49

4.1. INTRODUCCIN

La actividad minera ha sido un factor primordial en el desarrollo econmico del Per desde

la poca colonial hasta nu^tros das. Sin embargo, el desarrollo de ^ ta indusfria ha ^tado

ligado a la produccin de diferentes tipos de residuos. Algunos residuos son producto de la

trituracin y molienda del mineral, una vez que se han recuperado los metales comercial^

mediante proc^os fsicos y qumicos. Consecuentemente, estos pueden contener cantidades

variables de sulferos, minerales de concenfrados y residuos de los reactivos utili^dos en el

proceso de beneficio. Los sulferos metlicos de los residuos al estar expuestos a la

intemperie pueden oxidarse y liberar mteles y metaloides txicos en el proceso conocido

como drenaje cido de minas, produciendo aguas con un bajo pH y elevadas

concentraciones de sulfates. La exposicin no consolada a las condiciones climticas

prevalecientes en el sitio de disposicin, puede dar lugar a una dispersin de contaminantes

por medios fsicos (erosin, transporte elico y pluvial), o bien una alteracin de los

residuos con la consecuente movilidad qumica (disolucin y transporte en medio acuoso)

de elementos potencialmente txicos. Para el tratamiento de estos sitios contaminados en

las ltima dcadas se han propuesto diversas tecnologas, que dependen adems de los

factores ^pecficos del sitio y de las propiedades fisicoqumicas del contaminante. Los

tipos de tratamiento se divide en tra grupos, biolgico, fisicoqumicos y trmicos. Dentro

de los tratamientos fisicoqumicos, la remediacin electrocintica (Figura N 19) tambin

conocida como elrctrorremediacin, es una tecnologa en desarrollo que aprovecha las

propi^ades conductivas del suelo, cuyo objetivo es separar y extraer contaminantes

orgnicos y inicos, de suelos, lodos y sedimentos, con el uso de un campo elrctrico que

permite remover las esprcies cargadas (iones).14

La primera demosfracin exitosa del uso de la elrctrocintica para la remediacin de suelos

se realiz en Holanda en 1986 (Van Cauwenberghe). En 1993, Ralofi describi un proyecto

llamado Lasaba, que combina un proceso biolgico y uno electroosmtico, en donde

capas alternas de bifenilos policlorados (PCB) se degradaron por accin microbiana. Una

vez que los PCB se fragmentaron en molculas ms p^ueas, se aplic electrosmosis

para fransportar las molculas haste un sitio de tatemiento. Actealmente existen algunas

50

aplicaciones comerciales de elrcttorrem^iacin, desarrolladas en los Estados Unidos. Se

han llevado a cabo pruebas de demostracin a escala piloto e industrial por varias

instituciones: la Universidad Estatal de Luisiana, Electrokinetics Inc., Geokinetics

Internacional Inc. y por el fostituto Batelle Memorial. La corporacin Geokinetics ha

demostrado con xito su proceso de remediacin electrocintica in sitot a trav& de cinco

estudios de campo en Europa (USEPA 1996).

En 1996, el programa DoDs de investigacin innovadora de negocios y Electrokinetics Inc.,

desarrollaron un estudio demostrativo completo para extraer Pb de un campo de la armada

de los Estados Unidos, en Luisiana. La Agencia de Prot^cin Ambiental de los Estados

Unidos (USEPA) evalu los resultados de la prueba, encontrando una disminucin

significativa en la concentracin de Pb (de ~ 4500 mg/kg a 300 mg/kg) en 30 semanas

(USEPA 1996).

T^nologas innovadoras. Son tecnologas de tratamiento alternativas, cuyo nmero

reducido de aplicaciones limita la informacin acerca de datos relativos a desempeo. En general, una tecnologa es considerada innovadora cuando sus aplicaciones a gran escala

son limitadas. La aplicacin de ^ te tipo de tecnologas naci como resultado de la

observacin de que los humedal^ (wetlands) removan, de manera natural, metales

contenidos en aguas. Este tipo de tecnologas tiene gran potencial para la remediacin de

suelos de manera ms efectiva en cuanto a costos y a su desempeo. Las tecnologas

innovadoras en los Estados Unidos representan cerca del 20 % de todas las tecnologas

usadas para la remediacin de suelos, siendo la ms frecuentemente aplicada la

biorremediacin (11 % del total), seguida por la inundacin de suelos (2 %) y el tratamiento

qumico (2 %). La fitorremediacin ^ una tecnologa innovadora, con relativamente pocas

pero creciente aplicaciones.15

51

CitculMun

Arttorm*

de fluida d* fruida

1 .Ctodola

dlsolrarxtol nro^ ^ ^ i^ ^ ^ m ie r to d e la

disoluctocM

Figura N 19. Esquema de aplicacin de la tecnologa de remediacin electrocintica. 15

4.2. CONCEPTOS BSICOS

Electrocintica, rama de la electricidad relacionada con el movimiento de las cargas

elrctricas y magnticas que actan sobre ellas, nace con el fecundo invento de la pila

voltaica y se complementa con el importante descubrimiento de los fenmenos

electromagnticos.

La electrorremediacin, involucra la aplicacin de un campo elrctrico en una matriz porosa

que generalmente se encuentra saturada con agua o algn electrolito de inters, como e el

caso de los cidos orgnicos que presentan ciertas ventajas para este tipo de procesos.

Como consecuencia de la aplicacin del campo elrcfiico, se generan principalmente tres

fenmenos electrocinticas (Fig.20), estos son:

Electrosmosis, que repreenta el movimiento del lquido con repecto a las superficie

slidas inducido por el campo elrcfiico. Esto se produce debido a que en las superficies no equilibradas de las partculas del suelo predominan las cargas negativas, y afiaen al lquido

hacia el ctodo, que se comporta como un gran catin.

52

Elecromigracin, es el mrcanismo primario de la remediacin, tambin llamado migracin

inica, & el movimiento de especia inicas disueltas, que estn presentes en el fluido del

poro, debido a la influencia de un campo el^trico.

Electroforesis, corresponde al desplazamiento de partculas coloidales cargadas en

suspensin en un lquido. Tiene una importancia muy inferior a la de los dos fenmenos

anteriores.

^ to A ^ SwloFigura N 20. Principales fenmenos que se presentan en el suelo debido a la aplicacin de

campo elctrico.20

El conjunto de estos mecanismos provoca el desplazamiento de los contaminantes bajo la

accin del campo elctrico. Los cationes van hacia el ctodo mientras que los aniones lo

hacen hacia el nodo, y ambos son exttados posteriormente. El procedimiento tiene la

ventaja de que apenas si resulta influenciado por la textura o la permeabilidad del suelo,

factores limitantes de otras tcnicas.

La tcnica resulta de aplicacin, con buenos resultados, en el caso de suelos con altos contenidos en metala pesados (Cu, Zn, Pb y As), as como en el caso de la contaminacin

por compuestos orgnicos.

Los pasos de transformacin del contaminante dependen de las &peci& qumicas y de las

condiciones del medio ambiente. No o b s^ te , la mayora de los contamin^tes puede

ttansformarse a algunas de sus especies solubles. En el proceso de elrctrorremediacin el

53

ambiente cido en el nodo favorece la d^orcin y disolucin de metal, algunosionra

pueden existir como cationes o como complejos aninicos, sin embargo el ambiente

generado al ctodo puede impedir la solubilizacin de los contaminantes que contengan

iones metlicos. 1

4.3. PRINCIPIO DEL ^ T O D O

La electeorremediacin es una tecnologa para restaurar suelos contaminados basado en la

generacin de un campo elcteico a partir de imponer corriente directa. Para la aplicacin

de una diferencia de potencial, o una corriente dirrcta, se r^uiere el empleo de electrodos

(nodo y ctodo), los cuales son colocados en pozos excavados en el suelo, usualmente

estos se humectan con un electrolito para mejorar las condiciones de conduccin del campo

elctrico. La accin del electrolito permite transportar el contaminante hacia los pozos en

donde sera extrado. Al conteario del arrastre de fluidos, esta tcnica permite establecer una

migracin dirigida, la cual evita la dispersin del contaminante foera de la zona de

tratamiento (Fig.21).15

(C O )

MfnamoUrelum w to

(*) Anodo(-)&

Frrnto

Figura N 21. Esquema bsico del proceso de elrcteorremediacin, las esprcies inicas migran por la accin del campo elctrico. El Frente cido se forma en el nodo y migra

hacia el rtodo.

54

4.4. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ELECTRORREMEDIACIN

De los prrafos anteriores se podra asumir que la electaorremediacin es una tcnica que

aparenta ser sencilla, sin embargo existen varios factores fisicoqumicos que influyen en el

transporte de los contaminantes, y por ende en una efectiva remediacin del suelo

contaminado; los factores de mayor importancia se explican a continuacin.16

A. Potencial de Hidrgeno (pH)

Los cambios de pH promueven reacciona de los metala con otras sustancias que se

encuentran en el suelo de forma natural, este factor regula la movilidad de los

contaminantes en el p roejo de electrorremediacin. La hidrlisis del agua produce una

disociacin que genera iones hidrgeno (H+) en el nodo e iones hidroxilo ( OH) en el

ctodo, liberando oxgeno e hidrgeno respectivamente (Ec. 1 y 2).

HjO +2e".... E^+U3 V... (Q

Reaccin de hidrlisis que genera iones de hidrgeno en al nodo

+2e" 20H"+H> P = -4.83 V... (2)

Reaccin de hidrlisis que genera iones hidroxilo en el ctodo

E: Diferencia de potencial estndar en el electrodo.

La disociacin genera un pH cido cerca del nodo y alcalino cerca del ctodo. Debido a la mayor movilidad del in H+ sobre el ion OH, el frente cido viaja con mayor velocidad y

por lo tanto el flujo electaoosmtico se dirige preferencialmente hacia el ctodo. En el caso

de existir metales adsorbidos, &tos son solubili^dos por el frente cido y trasportados

hacia el rtodo. Cuando no se aplica lavado en los pozos, el frente alcalino penetrar a una velocidad menor a la del frente cido y cuando ambos frentes se encuendan, se genera una

zona en donde el pH cambia bruscamente (zona de taansicin), dando como resultado una

frontera con un marcado cambio de pH (de 2 a 13 en menos de 0,5 cm), en esta zona los contaminantes se acumulan debido a que frecuentemente precipitan como hidrxidos

55

metlicos. Drapus de un tiempo, se observa que el suelo se acidifica, excepto en la regin

cercana al ctodo. Existiendo algunas exrepciones cu^do: (i) el suelo es muy alcalino, (ii)

cuando existen sustancias amortiguadoras como fosfatos y carbonatos, y (iii) cuando los

electrodos estn hechos de materiales reactivos (electrodos de hierro). Una remocin

exitosa depender de mantener el contaminante inorgnico en solucin evitando los

cambios sbitos de pH; en el caso de algunos contaminantes orgnicos (como cidos y

fenoles, entre otros) las condiciones ptimas de remocin sern aquellas en las que el pH

logra desplazar el equilibrio de disociacin de la sustancia hacia la forma disociada.

B. CONTENffiO DE AGUA

El movimiento del electrolito por elecfrosmosis es foncin del contenido de agua; por lo

tanto, el grado de saturacin del suelo es un rctor indispensable para llevar a cabo el

proceso elecfrocintico. Una distribucin irregular de humedad en el suelo contaminado

puede observarse durante la elrcfrorremediacin, ya que el electrolito se mueve hacia uno de los electrodos, incrementando la humedad en este y disminuyndola en el electrodo

confrario. Esta disminucin est asociada con el desarrollo de pozos de presin negativos,

variaciones en el pH y por lo tanto en la foerza del campo elcfrico, lo cual resulta en tasas

de flujo electroosmtico irregulares. Por tanto es nectario mantener una humedad

adecuada agregando elecfrolito a la misma tasa elecfroosmtica a la que es drenado del

sistema. Por otro lado, un contenido bajo de agua puede generar la sequedad del suelo,

debido a efectos de calentamiento o al desarrollo de algunas reacciones qumicas

exotrmicas.

C. CONDUCTIVIDAD ELCTRICA

La conductividad elctrica es diferente para cada tipo de suelo, rar definida como la

capacidad de un medio o espacio fsico de permitir el paso de la corriente elctrica. Para

conocer la conductividad el&frica de un suelo, es nrcesario ponerlo en suspensin acuosa y

medirla con un conductmetro. La medida obtenida (Siemens) es el inverso de la raistencia a la conduccin por centmetro de material, la cual tiene una relacin emprica con la

56

concenfoacin de iones capaes de conducir la el^taicidad en solucin acuosa (lpS/cm ~

0.52 a 0.64 ppm de sales, ASTM 1994). En el^trorremediacin, los cambios de pH del

suelo modifican la conductividad global del medio por lo que se forman perfiles de voltaje.

En algunos experimentos con suelos industaiales contaminados, la conductividad del suelo

se incrementa con el tiempo, debido a la penetaacin de los frentes cido y alcalino, as

como por la solubili^cin de las e sp ^ i^ inicas ya sea como resultado de los cambios de

pH o por un aumento de temperatura.

D. POTENCIAL ZETA ()

Es la medida que determina la carga de un coloide (volts), en fondn de la superficie

cargada y la naturaleza y composicin del medio en el que est, suspendido; las sales

inicas que pueden solubilizarse totalmente en medios acuosos no pueden ser clasificadas

como coloides ya que se encuentran en la fase continua y por lo tanto su , es muy pequeo.

En la mayora de los suelos el potencial es negativo debido a que la superficie del suelo

generalmente tiene carga negativa. Con el incremento de la acidez disminuye su

negatividad y, en alanos casos, pueda alcanzar valores positivos. Estos cambios afectan la

velocidad del flujo el^oosmtico, ya que se ha observado que la tasa de flujo decrece

cuando el pH del el^trolito se acerca a la neutaalidad o se incrementa la alcalinidad. En

trabajos donde se incluye una descripcin del efecto del pH sobre el potencial^, se utiliz

kaolinita contaminada artificialmente; sin embargo no todas las arcillas se comportan igual,

por ejemplo los suelos ilticos y bentnicos no muestran efectos derivados de los cambios

en las concentraciones inicas del fluido saturante.

E. NATURALEZA Y QUMICA DEL SUELO

La elecorremediacin se ha probado exitosamente en ensayos de laboratorio con