Introducción
Los problemas de contaminación en el ámbito local, nacional e internacional son parte de nuestra vida cotidiana; es preocupante la manera en cómo se han ido degradando los ecosistemas de nuestro planeta, y la capa superficial de la corteza terrestre no es la excepción. La actividad industrial ha ocasionado contaminación de suelos, donde el derrame de hidrocarburos derivados del petróleo ocupa uno de los primeros lugares. En México, y como consecuencia de varios siglos de actividad minera, la industria de la química básica, petroquímica y de refinación del petróleo, han producido grandes cantidades de residuos peligrosos difíciles de cuantificar. Se sabe que en 1999, de acuerdo a cifras publicadas por el INEGI-INE (2000), los sitios contaminados, aún en las estimaciones más conservadoras, ascendían a varios miles de lugares y éstos eran equivalentes a 25967 km2 de superficie de suelo degradado. La actividad minera del estado de Durango ocupa uno de los primeros lugares a nivel nacional. Dentro de sus empresas mineras destaca la mina San Antonio, con un área aproximada de 261.56 km2, perteneciente al grupo Goldcorp México y se ubica en el municipio de San Dimas, en Tayoltita, Durango. En 1995, la mina ingresó al programa de Auditoría Ambiental y como resultado de la misma se detectó suelo natural contaminado con hidrocarburos, cerca de 800 toneladas, el cual fue confinado en un almacén. Lo anterior debido al mantenimiento propio de la maquinaria y equipos dentro de la empresa. Para resolver este problema la empresa buscó asesoría para establecer una tecnología de remediación que fuera sencilla, flexible, de bajo costo y que permitiera alcanzar los niveles aceptables en la normatividad mexicana vigente (SEMARNAT 2003, Gurrola Nevárez 2008, Osorio-Rodríguez 2010).
Esta investigación se evaluó el proceso de biorremediación aeróbica de un suelo contaminado con hidrocarburos de petróleo empleando lodos residuales (biosólidos), provenientes de una planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR) domésticas de la localidad, como fuente alterna de macro y micronutrientes. La contaminación del suelo fue resultado de derrames accidentales de diésel, aceite y grasas en la unidad minera San Antonio perteneciente al grupo Goldcorp México, ubicada en el municipio de San Dimas, en Tayoltita, Durango. Se realizaron experimentos a escala laboratorio y piloto, ajustados a capacidad de campo y a una relación carbono:nitrógeno (C:N) = 10:1, en los cuales se evaluaron el efecto de la adición de nutrientes, la densidad del material a remediar y la influencia del tamaño de la partícula en el proceso de degradación. Se demostró que los lodos residuales propiciaron la estimulación de los microorganismos nativos del suelo y estos últimos a su vez fueron los responsables de degradar los hidrocarburos. Los hidrocarburos fueron empleados como fuente de carbono y de donador de electrones, acoplando la reacción de óxido–reducción con el oxígeno que fungió como aceptor de electrones. El suelo sometido a remediación aeróbica alcanzó el límite máximo permisible (LMP) establecido en la normatividad mexicana vigente (NOM–138–SEMARNAT/SS–2003) en los experimentos realizados a ambas escalas y se propone como alternativa para que la empresa minera cumpla con el programa Industria Limpia, al que está adscrita de manera voluntaria.
Tecnologías de remediación
El término “tecnología de tratamiento” implica cualquier operación unitaria o serie de operaciones unitarias que altera la composición de una sustancia peligrosa o contaminante a través de acciones químicas, físicas o biológicas de manera que reduzcan la toxicidad, movilidad o volumen del material contaminado (EPA, 2001). Las tecnologías de remediación representan una alternativa a la disposición en tierra de desechos peligrosos que no han sido tratados, y sus capacidades o posibilidades de éxito, bajo las condiciones específicas de un sitio, pueden variar ampliamente.
El uso de una tecnología de remediación depende de los factores específicos del sitio y de las propiedades fisicoquímicas del contaminante, de su disponibilidad, de la fiabilidad demostrada o proyectada, de su estado de desarrollo (laboratorio, escala piloto o gran escala) y de su costo.
Fitorremediación
La fitorremediación es un proceso que utiliza plantas para remover, transferir, estabilizar, concentrar y/o destruir contaminantes (orgánicos e inorgánicos) en suelos, lodos y sedimentos, y puede aplicarse tanto in situ como ex situ. Los mecanismos de fitorremediación incluyen la rizodegradación, la fito-extracción, la fitodegradación y la fitoestabilización. La rizodegradación se lleva a cabo en el suelo que rodea a las raíces. Las sustancias excretadas naturalmente por éstas, suministran nutrientes para los microorganismos, mejorando así su actividad biológica. Durante la fitoextracción, los contaminantes son captados por las raíces (fitoacumulación), y posteriormente éstos son traslocados y/o acumulados hacia los tallos y hojas (fitoextracción). En la fitoestabilización, las plantas limitan la movilidad y biodisponibilidad de los contaminantes en el suelo, debido a la producción en las raíces de compuestos químicos que pueden adsorber y/o formar complejos con los contaminantes, inmovilizándolos así en la interfase raíces: suelo. La fitodegradación consiste en el metabolismo de contaminantes dentro de los tejidos de la planta, a través de enzimas que catalizan su degradación.
Aplicaciones. Puede aplicarse para tratar suelos contaminados con compuestos orgánicos como benceno, tolueno, etilbenceno y xilenos (BTEX); solventes clorados; HAPs; desechos de nitrotolueno; agroquímicos clorados y organofosforados; además de compuestos inorgánicos como Cd, Cr(VI), Co, Cu, Pb, Ni, Se y Zn (Sellers, 1999). Se ha demostrado también su eficiencia en la remoción de metales radioactivos y tóxicos de suelos y agua.
Limitaciones. Existen varias limitaciones que deben considerarse para su aplicación: (i) el tipo de plantas utilizado determina la profundidad a tratar; (ii) altas concentraciones de contaminantes pueden resultar tóxicas; (iii) puede depender de la estación del año; (iv) no es efectiva para tratar contaminantes fuertemente sorbidos; (v) la toxicidad y biodisponibilidad de los productos de la degradación no siempre se conocen y pueden movilizarse o bioacumularse en animales.
La biorremediación
Es producto de la actividad aeróbica bacteriana y para ello es necesario establecer sus requerimientos nutricionales y físicos, de aquí que el material empleado en la formulación de los tratamientos fue caracterizado con base en lo siguiente:
Lodos residuales: Coliformes fecales (CF), materia orgánica (MO), nitrógeno total (NT), contenido de carbono, humedad y densidad (ρ). Cabe mencionar que los lodos residuales son considerados como residuos peligrosos, por el alto contenido de coliformes fecales que contienen, entre otras cosas (SEMARNAT 2002, SEMARNAT 2005).
Suelo a remediar: pH, conductividad eléctrica (CE), concentración de hidrocarburos (como hidrocarburos totales de petróleo, [HTP]), materia orgánica, capacidad de campo (CC), textura, sólidos fijos, cuenta estándar de microorganismos mesofílicos, contenido de carbono, humedad y coliformes fecales.
La concentración de hidrocarburos del petróleo se determinó empleando la técnica TNRCC Method 1005 (TNRCC 2001), cuantificado como concentración de hidrocarburos totales del petróleo en matrices sólidas y acuosas, usando cromatografía de gases con detector de ionización de flama (Gurrola-Nevárez 2008).
Para determinar el pH y la CE, se pesaron 10 g de muestra y se mezclaron con 90 mL de agua purificada; la muestra se agitó constantemente durante 1 h y posteriormente se realizó la medición de pH y CE del extracto. Los medidores se calibraron según las especificaciones del fabricante. Todos los análisis se realizaron de acuerdo al procedimiento establecido por el método estándar de análisis.
Tecnología de recuperación o tratamiento de residuos peligrosos y no peligrosos
| Método | tecnología de recuperación de residuos a utilizar |
| Remediación electrocinética o ELECTRORREMEDIACION (ER)
| Esta tecnología aprovecha las propiedades conductivas del suelo y está basada en la descarga de una corriente directa de baja intensidad (mA/cm2 ) a través de una masa de suelo saturado con liquido como medio conductor, distribuido apropiadamente entre los electrodos (ánodo y cátodo), provocando cambios fisicoquímicos e hidrológicos en el suelo, con el fin de remover contaminantes orgánicos e inorgánicos o mezclados. La variación del pH (frente acido en el ánodo y básico en el cátodo) ocurre debido a la Electrolisis que se produce en el efluente bajo la acción del campo eléctrico. ´ El potencial de oxido reducción (POR) influye en los microorganismos y su metabolismo, se requieren valores positivos de POR para la reproducción de microorganismos aeróbicos y valores negativos para los anaeróbicos. La conductividad eléctrica y los sólidos disueltos totales están íntimamente relacionados, una alta conductividad eléctrica facilita el paso de la corriente eléctrica al reducir la resistencia entre el suelo y el fluido; así pues al aplicar corriente eléctrica los compuestos presentes en el suelo migraran a la fase l liquida por efectos de deserción. |
| FITORREMEDIACIÓN | Es el empleo de plantas y sus microorganismos asociados para la mejora funcional y recuperación de suelos contaminados. Este método se basa en los procesos naturales mediante los cuales las plantas y la microbiota asociada a sus raíces degradan y/o secuestran los contaminantes. |
| FITOEXTRACCIÓN
|
La planta absorbe los contaminantes a través de las raíces y los acumula en grandes cantidades en la biomasa aérea retirándose los contaminantes del suelo a través de su cosecha. Cuando el metal fitoextraído puede ser recuperado de la biomasa (biomena), obteniendo un beneficio económico, el proceso se denomina fitominería. |
| FITOESTABILIZACIÓN
| Mediante distintos mecanismos, la planta es capaz de secuestrar o inmovilizar los contaminantes en la raíz y/o en su zona de influencia. Este proceso limita la migración y biodisponibilidad de los contaminantes y, por tanto, reduce efectos adversos al medio ambiente y su transferencia a la cadena trófica. |
A) TRATAMIENTOS BIOLÓGICOS (BIORREMEDIACIÓN). El término biorremediación se utiliza para describir una variedad de sistemas que utilizan organismos vivos (plantas, hongos, bacterias, etc.) para degradar, transformar o remover compuestos orgánicos tóxicos a productos metabólicos inocuos o menos tóxicos. Esta estrategia biológica depende de las actividades catabólicas de los organismos, y por consiguiente de su capacidad para utilizar los contaminantes como fuente de alimento y energía (Van Deuren y col., 1997), son efectivos en cuanto sus costos son tecnologías que benefician al ambiente no necesita un tratamiento posterior.
Tecnologías in situ: Las técnicas in situ buscan estimular y crear un ambiente favorable para el crecimiento microbiano a partir de los contaminantes. Este objetivo generalmente puede lograrse con el suministro de aire u oxígeno (bioventeo), nutrientes (bioestimulación), microorganismos (bioaumentación) y/o humedad, además del control de temperatura y Ph.
Bioventeo:
El bioventeo es una tecnología, cuyo objetivo es estimular la biodegradación natural de cualquier compuesto biodegradable en condiciones aerobias. El aire se suministra en el sitio contaminado a través de pozos de extracción, por movimiento forzado (extracción o inyección), con bajas velocidades de flujo, con el fin de proveer el oxígeno necesario para sostener la actividad de los microorganismos degradadores (Van Deuren y col., 1997).
Aplicaciones: Se utiliza para tratar compuestos orgánicos biodegradables semivolátiles (COSs) o no volátiles. Favorece la degradación de contaminantes adsorbidos, pueden degradarse COVs, por medio de su movimiento a través del suelo biológicamente activo.
Limitaciones. Pueden limitar la efectividad del bioventeo son: (i) el tipo y la concentración del contaminante, (ii) falta de nutrientes; (iii) bajo contenido de humedad; y (iv) dificultad para alcanzar el flujo de aire necesario (Eweis y col., 1998).
Bioestimulación
La bioestimulación implica la circulación de soluciones acuosas (que contengan nutrientes y/u oxígeno) a través del suelo contaminado, para estimular la actividad de los microorganismos autóctonos, y mejorar así la biodegradación de contaminantes orgánicos o bien, la inmovilización de contaminantes inorgánicos in situ.
Aplicaciones. Se ha usado con éxito para remediar suelos contaminados con gasolinas, COVs, COSs, y pesticidas (Alexander, 1994). Estudios a escala piloto, han mostrado la biodegradación de suelos contaminados con desechos de municiones.
Limitaciones. Esta tecnología no es recomendable para suelos arcillosos, ya que pueden provocar limitaciones en la transferencia de O2, pueden limitar su aplicación, incluyen: (i) que el tipo del suelo no favorezca el crecimiento microbiano; (ii) incremento en la movilidad de los contaminantes; (iii) obstrucción en los pozos de inyección provocada por el crecimiento microbiano.
Bioaumentación
Esta tecnología se utiliza cuando se requiere el tratamiento inmediato de un sitio contaminado, o cuando la microflora autóctona es insuficiente en número o capacidad degradadora. Consiste en la adición de microorganismos vivos, que tengan la capacidad para degradar el contaminante, para promover su biodegradación o su biotransformación. El tamaño del inoculó a utilizar, depende del tamaño de la zona contaminada, de la dispersión de los contaminantes y de la velocidad de crecimiento de los microorganismos degradadores.
Aplicaciones. Se ha usado para tratar suelos contaminados con herbicidas (2,4-D, clorofam), insecticidas (lindano, clordano, paratión), clorofenoles (PCP) y nitrofenoles, BPCs, HTPs y HAPs (Alexander, 1994). También se ha aplicado efectivamente para tratar desechos con concentraciones relativamente altas de metales.
Limitaciones. Antes de llevar a cabo la bioaumentación en un sitio, deben realizarse cultivos de enriquecimiento, aislar microorganismos capaces de cometabolizar o utilizar el contaminante como fuente de carbono, y cultivarlos hasta obtener grandes cantidades de biomasa.
B. TECNOLOGÍAS EX SITU
Los procesos de biorremediación ex situ, incluyen: (i) procesos de biodegradación en fase de lodos, en donde el suelo se mezcla con agua (para formar un lodo), microorganismos y nutrientes; y (ii) de biodegradación en fase sólida, en donde los suelos colocan en una celda de tratamiento (composteo) o sobre membranas impermeables (biolabranza), en donde se agrega agua y nutrientes (EPA, 2001).
Biorremediación en fase sólida (composteo)
El composteo es un proceso biológico controlado, por el cual pueden tratarse suelos y sedimentos contaminados con compuestos orgánicos biodegradables, para obtener subproductos inocuos estables. El material contaminado se mezcla con agentes de volumen (paja, aserrín, estiércol, desechos agrícolas), que son sustancias orgánicas sólidas biodegradables, adicionadas para mejorar el balance de nutrientes, así como para asegurar una mejor aireación y la generación del calor durante el proceso. Los sistemas de composteo incluyen tambores rotatorios, tanques circulares, recipientes abiertos y biopilas.
Las pilas estáticas (biopilas) son una forma de composteo en el cual, el sistema se adiciona con agua y nutrientes, y se coloca en áreas de tratamiento (que incluyen alguna forma de aireación y sistemas para colectar lixiviados). Las pilas de suelo generalmente se cubren con plástico para controlar los lixiviados, la evaporación y la volatilización de contaminantes, favorecer su calentamiento.
Aplicaciones. Es usado para remediar suelos contaminados con PCP, gasolinas, HTPs, HAPs, también la reducción, hasta niveles aceptables, en la concentración y toxicidad de explosivos (TNT). El uso de estrategias de composteo, se ha adoptado en los últimos 3 a 5 años.
Limitaciones. Algunas limitaciones del proceso son: (i) necesidad de espacio; (ii) necesidad de excavar el suelo contaminado, lo que puede provocar la liberación de COVs; (iii) incremento volumétrico del material a tratar; (iv) no pueden tratarse metales pesados.
Biorremediación en fase de lodos (biorreactores)
Los biorreactores pueden usarse para tratar suelos heterogéneos y poco permeables, o cuando es necesario disminuir el tiempo de tratamiento, ya que es posible combinar controlada y eficientemente, procesos químicos, físicos y biológicos, que mejoren y aceleren la biodegradación (Reiser-Roberts, 1998). Es la tecnología más adecuada cuando existen peligros potenciales de descargas y emisiones.
Uno de los reactores más utilizados para biorremediar suelos es el biorreactor de lodos, en el cual el suelo contaminado se mezcla constantemente con un líquido, y la degradación se lleva a cabo en la fase acuosa por microorganismos en suspensión o inmovilizados en la fase sólida. El tratamiento puede realizarse también en lagunas construidas para este fin o bien en reactores sofisticados con control automático de mezclado (Alexander, 1994).
Aplicaciones. Los biorreactores de lodos aerobios, se utilizan para tratar HTPs, COSs no halogenados y COVs. Se utilizan también reactores secuenciales de lodos aerobios/anaerobios para tratar BPCs, COSs halogenados, pesticidas y desechos de artillería (Van Deuren y col., 1997).
Limitaciones. Algunos factores que pueden limitar el uso y efectividad de los biorreactores son: (i) el suelo debe tamizarse; (ii) suelos heterogéneos y arcillosos pueden generar problemas de manipulación; (iii) los productos intermediarios pueden ser más tóxicos que el contaminante original (en caso de explosivos o solventes clorados); (iv) los residuos pueden requerir de tratamiento o disposición final.
TECNOLOGÍAS DE REMEDIACIÓN FISICOQUÍMICAS
Los tratamientos fisicoquímicos aprovechan las propiedades físicas y/o químicas de los contaminantes o del medio contaminado para destruir, o contener la contaminación. Este tipo de tecnologías son efectivas en cuanto a costos y pueden concluirse en periodos cortos, en comparación con las tecnologías de biorremediación, los costos pueden incrementarse cuando se utilizan técnicas de separación en las que los contaminantes pueden requerir de tratamiento o disposición. Mientras que las tecnologías de biorremediación son principalmente métodos destructivos, las fisicoquímicas incluyen las tres estrategias básicas de acción sobre el contaminante (destrucción, separación e inmovilización).
Al igual que el resto de las tecnologías de remediación, las fisicoquímicas pueden realizarse in situ o ex situ, la mayoría de estas tecnologías se aplican in situ. Entre las tecnologías fisicoquímicas para tratamiento in situ, se encuentra
· La remediación electrocinética (RE). Su Aplicación. Pueden tratarse contaminantes orgánicos polares y metales pesados. Se ha utilizado a nivel piloto, para tratar contaminantes inorgánicos como Pb, Ni, Hg, As, Cu, Zn y Cr; además de orgánicos como BTX. Es una tecnología que puede emplearse para mejorar otras tecnologías de remediación como la biorremediación y la remoción de contaminantes no solubles
· El lavado de suelos (LS). Su aplicación es el lavado de suelos se ha utilizado con éxito para tratar suelos contaminados con hidrocarburos, HAPs, PCP, pesticidas y metales pesados. Por medio de inundación, pueden recuperarse compuestos inorgánicos (metales), y tratarse COVs, COSs, gasolinas y pesticidas
· La extracción de vapores (EV) Su aplicación, es usada para remediar sitios contaminados por derrames o fugas de COVs y algunas gasolinas; puede aplicarse en zonas insaturadas. Además, la EV puede facilitar e inducir otros procesos de remediación como la biodegradación de contaminantes poco volátiles.
· La solidificación/estabilización (S/E). Su Aplicación son usualmente utilizados para tratar contaminantes inorgánicos, como suelos y lodos contaminados con metales.
· Tratamiento químico. Involucra reacciones de oxidación-reducción (redox) que convierten químicamente compuestos tóxicos o peligrosas a compuestos menos tóxicos o no peligrosos, que son más estables, menos móviles o inertes.
· Separación física. Las técnicas de separación buscan concentrar los contaminantes sólidos por medios físicos y químicos. La mayoría de los contaminantes orgánicos e inorgánicos tienden a unirse, química o físicamente, a la fracción más fina del suelo. Las partículas finas de arcillas y sedimentos pueden separarse de arenas y gravas gruesas para concentrar los contaminantes en volúmenes menores de suelo.
TECNOLOGÍAS DE REMEDIACIÓN TÉRMICAS
Los tratamientos térmicos ofrecen tiempos muy rápidos de limpieza, pero son generalmente los más caros. Sin embargo, estas diferencias son menores en las aplicaciones ex situ que in situ. Los altos costos se deben a los costos propios para energía y equipos, además de ser intensivos en mano de obra. Al igual que las tecnologías fisicoquímicas y a diferencia de las biológicas, los procesos térmicos incluyen la destrucción, separación e inmovilización de contaminantes. Los procesos térmicos utilizan la temperatura para incrementar la volatilidad (separación), quemado, descomposición (destrucción) o fundición de los contaminantes (inmovilización).
Desorción térmica (DT). El proceso de DT puede aplicarse, para la separación de compuestos orgánicos de desechos, así como para suelos contaminados con creosota e hidrocarburos. Los sistemas de DTBT pueden usarse para tratar COVs no halogenados y gasolinas y, con menor eficiencia, para COSs. Los procesos de DTAT se utilizan principalmente para tratar COSs, HAPs, BPCs y pesticidas, pero pueden aplicarse también para COVs y gasolinas (Van Deuren y col., 1997).
Incineración. Aplicaciones. Se usa para remediar suelos contaminados con explosivos, residuos peligrosos como hidrocarburos clorados, BPCs y dioxinas.
Vitrificación. Aplicaciones. La vitrificación es usada para inmovilizar la mayoría contaminantes inorgánicos, se ha probado que el proceso también puede destruir o remover COVs y COSs y otros compuestos orgánicos como dioxinas y BPCs.
Pirólisis. Se utiliza para tratar COSs y pesticidas. Puede aplicarse para tratar BPCs, dioxinas, desechos de alquitrán y pinturas, suelos contaminados con creosota y con hidrocarburos. La pirólisis no es efectiva para destruir o separar compuestos inorgánicos de un suelo contaminado.
Trenes de tratamientos. Se emplean cuando no todos los contaminantes en un medio particular, pueden tratarse con una sola tecnología.
| Ventajas | Desventajas | |
| Tratamientos biológicos | Son efectivos en cuanto a costos | Requieren mayores tiempos de tratamiento |
| Tratamientos fisicoquímicos | Son efectivos en cuanto a costos | Los residuos generados por técnicas de separación, deben tratarse o disponerse: aumento en costos y necesidad de permisos |
| Tratamientos térmicos | Permite tiempos rápidos de limpieza | Es el grupo de tratamientos más costoso |
| Los costos aumentan en función del empleo de energía y equipo | ||
| Intensivos en mano de obra y capital |
Conclusiones
Los suelos contaminados son alterados en sus características físico-químicas y biológicas, con lo que afectan el ámbito social debido a esto existen gasoductos que atraviesan localidades; La presente investigación tuvo como objetivo explorar las afectaciones y consecuencias de los derrames de hidrocarburos. El proceso de biorremediación de suelo contaminado con hidrocarburos a nivel laboratorio y piloto, alcanzó tasas de remoción donde el mejor tratamiento fue el que contenía lodos residuales como fuente alterna de nutrientes los lodos influyó en la remoción de hidrocarburos, la densidad fue un factor importante para aumentar el porcentaje de degradación. Mantener los suelos a capacidad de campo y con aireación constante es también un buen estimulante de la flora, permitió una buena alternativa para las plantas de tratamientos de aguas residuales cerca a los sitios contaminados.
Y por otra parte la frecuencia de derrames debido al robo de combustible, ha ocasionando daños humanos, al patrimonio y ecológicos, no cuentan con la información necesaria sobre medidas de seguridad preventiva o reactiva, y no hay ningún tipo de organización que permita enfrentar una eventualidad de manera más segura, por lo que es importante la creación de una cultura de la seguridad. La contaminación del suelo por hidrocarburos afecta la flora, fauna y microorganismos del suelo, la fertilidad de los suelos, el crecimiento de las plantas, así como la existencia y sobrevivencia de los animales que se alimentan de éstas, también puede haber una afectación en el ámbito social que incluye los sistemas de producción, la salud, la economía y las formas de vida, debido a los efectos de estos compuestos, los cuales son tóxicos para los humanos y para los seres vivos en sus diversas formas.
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