descontaminaciÓn de suelos: tÉcnicas biolÓgicas

DESCONTAMINACIÓN DE SUELOS:DESCONTAMINACIÓN DE SUELOS:TÉCNICAS BIOLÓGICASTÉCNICAS BIOLÓGICAS

Departamento de Edafología y Química AgrícolaFacultad de Ciencias. Universidad de Granada

fjmartin@ugr.es

Francisco Martín Peinado

Descontaminación de Suelos

Descontaminación de SuelosT

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TÉCNICAS BIOLÓGICAS

In situ

- Bioventing

- Biorremediación

- Bioaumentación

- Fitorremediación

Ex situ

- Biopilas

- Compostaje

- Landfarming

- Lodos

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TÉCNICAS BIOLÓGICAS

Estimulan el crecimiento de organismos en suelos contaminados, con el fin de degradarlos o extraerlos mediante la realización de

sus actividades metabólicas.

Se basan en la adaptación de los organismos al medio y en proporcionar condiciones adecuadas para su desarrollo

(nutrientes, humedad, pH, temperatura, etc.)

Se aplican a multitud de contaminantes orgánicos y a algunos contaminantes inorgánicos

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In situ

NO

BAJOS

ALTO

DUDOSA

DIFÍCIL

Ex situ

SI

ALTOS

BAJO

SI

FÁCIL

VENTAJAS E INCONVENIENTES DE TÉCNICAS IN SITU Y EX SITU

Alteración de estructura del suelo

Costes económicos

Tiempo de ejecución

Uniformidad de tratamiento

Verificación de su eficacia

BioventingT

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En ocasiones las técnicas biológicas se acompañan de otras técnicas físicas y químicas para completar el proceso de limpieza

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PARÁMETROS CON MAYOR INFLUENCIA

Condiciones aeróbicas: Favorecen la oxidación y la actividad biológica. Dependen de la textura del suelo, grado de saturación y condiciones redox.

Condiciones anaeróbicas: Puede degradar algunos contaminantes orgánicos (clorados) o impedir la oxidación de algunos minerales (sulfuros metálicos).

Agua: Medio de transporte de nutrientes y constituyentes orgánicos (absorción – secreción) al interior – exterior de los orgs.

Nutrientes: Se aplican para favorecer la actividad biológica (algunos metales pesados son también micronutrientes).

pH: Afecta la solubilidad y biodisponibilidad de muchos contaminantes.

Temperatura: Afecta la actividad biológica (problema en climas fríos). Se puede inducir calentamiento controlado (problema VOCs).

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BIOVENTING

CONCEPTOInyección (o extracción) forzada de aire para incrementar la

concentración de oxígeno y estimular la biodegradación. Utiliza bajas tasas de flujo (diferencia con Soil Vacuum Extraction (SVE))

DESCRIPCIÓN

Técnica a medio – largo plazo (meses – años)

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BIOVENTING

APLICABILIDAD

LIMITACIONES

- Hidrocarburos del petróleo, disolventes no clorados, algunos plaguicidas y otros orgánicos (fuels).

- Favorece la degradación de VOCs por la lenta migración hacia zonas biológicamente activas del suelo.

- Prometedora para estabilizar o eliminar contaminantes inorgánicos (cambio de estado de valencia, cambio en movilidad)

- Zonas saturadas o de baja permeabilidad en el suelo.

- Posible emisión de vapores (control y monitoreo)

- Compuestos clorados (inducir ciclo anaerobio)

- Baja humedad = baja activ. biol. = baja biodegradación.

- Bajas temperaturas = ralentizan (no impiden) la remediación.

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BIOVENTING

COSTES

- Tipo y concentración del contaminante, y permeabilidad del suelo.

- Espaciado y nº pozos.

- Tasa de bombeo.

- Tratamiento de gases emitidos.

- Periodicidad del monitoreo.

- Técnica cada vez más utilizada, en especial junto a SVE

- Air Force Center for Environmental Excellence (AFCEE), demostraciones de bioventing en 135 lugares,

http://www.afcee.brooks.af.mil/er/ert/bioventing.htm.

10 - 70 $ (8 – 55 €) m3 suelo

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BIOVENTING

CASO PRÁCTICO

Localidad: Base Fuerzas Aéreas Ogden, Utah (USA)

Origen: Enero 1985, vertido de 102 m3 fuel de avión JP-4

Contaminantes: Hasta 10.200 mg/kg de hidroc. tot. petr. (TPH)

Área contaminada: 1.625 m2 (6.600 m3 suelo)

Tratamiento: SVE seguido de BIOVENTING

Duración: 15 meses

Resultado final: TPH < 6 mg/kg (nivel referencia = 38,1 mg /kg)

Coste: 90 $ m3

Observaciones: Suelo muy favorable (arenoso, gravoso)

No se requirió incinerador catalítico de gases

Se extrajeron unos 95.700 kg de contaminante

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BIORREMEDIACIÓN

CONCEPTOEstimulación de la actividad de microorganismos del suelo (o

inoculados) mediante la circulación de soluciones acuosas ricas en nutrientes o productos enmendantes y sautradas en oxígeno disuelto.

DESCRIPCIÓN

Técnica a largo plazo (años)

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BIORREMEDIACIÓN

APLICABILIDAD

- PAHs, non-halog. SVOCs y BTEX (contaminantes no extraíbles por volatilidad (SVE))

- Degrada contaminantes orgánicos e inmoviliza los inorgánicos.

- Efectiva en contaminaciones residuales (bajas concentraciones) y tras medidas de extracción, limpieza o remoción.

Aeróbica:Microorgs. + Contaminante = CO2 + H2O + Residuo celular

Anaeróbica:Contaminantes orgs. = Metano (CO2 + H2O + S- + N2)

(a veces el residuo puede ser más tóxico; ej: TCE = cloruro de vinilo)

Podredumbres blancas (hongos):Enzimas que degradan lignina. Aplicadas al TNT (laboratorio)

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BIORREMEDIACIÓN

COSTES

- Propiedades del suelo

- Potencial de lixiviado del contaminante

- Reactividad química (tendencia a reacciones no biológicas)

- Biodegradabilidad del contaminante

- Riesgo de contaminación de aguas subterráneas (infiltración)

- Bloqueo de pozos de inyección nutrientes (colonización de orgs.)

- Heterogeneidad del suelo (limita su efectividad)

- Altas concentraciones de contaminantes = toxicidad para orgs.

- Se requiere tratamiento del agua extraída.

30 - 100 $ (25 – 80 €) m3 suelo

LIMITACIONES

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BIOAUMENTACIÓN

CONCEPTOIntroducción en el suelo de organismos seleccionados,

adaptados o genéticamente modificados para degradar contaminantes específicos.

DESCRIPCIÓN

Técnica a medio - largo plazo (meses - años)

Los tratamientos electroquímicos pueden mejorar los resultados

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BIOAUMENTACIÓN

APLICABILIDAD

- PCP, Lindano, DDT, 2,2-diclorofenol.

- Degrada contaminantes orgánicos e inmoviliza los inorgánicos.

- Descontaminación de campos de batalla (US Dep. Defense).

Organismos más usados:

Hongos: Fusarium oxysporium y Phanerochaete chyrysosoporium.

Bacterias: Pseudomonas cepacia y Pseudomonas putida.

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BIOAUMENTACIÓN

COSTES

- Propiedades del suelo (textura, permeabilidad, pH, CO, humedad, nutrientes).

- Propiedades del contaminante (biodegradabilidad, reactividad química, solubilidad en agua).

- Riesgo de contaminación de aguas subterráneas (infiltración)

- Texturas finas o suelos heterogéneos (limitan el contacto entre los microorganismos y el contaminante)

- Altas concentraciones de contaminantes = toxicidad para orgs.

- Poco efectiva para contaminantes inorgánicos.

25 - 105 $ (20 – 80 €) m3 suelo

LIMITACIONES

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FITORREMEDIACIÓN

CONCEPTOProceso que usa plantas para eliminar, transferir, estabilizar

y destruir contaminantes tanto orgánicos como inorgánicos.

DESCRIPCIÓN

Técnica a largo plazo (años)

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uDescontaminación de Suelos

FITOEXTRACCIÓN (Fitoacumulación)

FITORREMEDIACIÓN

CONCEPTOAbsorción de contaminantes (inorgánicos o radionucléidos)

por plantas y traslocación / acumulación en raíz, tallo y/o hojas.

Plantas hiperacumuladoras: > 1000 mg contaminante / kg suelo.(algunas se usan con fines extractivos, minería (Ni, Cu))

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uDescontaminación de Suelos

FITOEXTRACCIÓN (Fitoacumulación)

FITORREMEDIACIÓN

Biodisponibilidad:Alta: Cd, Ni, Zn, As, Se, CuModerada: Co, Mn, FeBaja: Pb, Cr, U (EDTA, Ac. Cítrico Δ biodisp.)

EspecieThlaspi caerulescensThlaspi calaminare

Haumaniastrum robertiiHaumaniastrum katangense

Ipomoea alpinaThlaspi rotundifolum subsp.

Macadamia neutrophyllaAlyssum bertoloniiBerkheya coddii

Psychotria douarreiAstragalus pattersoni

Iberis intermediaAtriplex confertifolia

Pteris vittata

ElementoCd, Zn

ZnCoCuCuPbMnNiNiNiSeTlUAs

Conc. (mg/kg)3000, 10000

10000102008356

123008200

5500013400170004750060003070100

22000

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COSTES

- Profundidad efectiva escasa (< 0,6 m), densidad enraizamiento.

- Lento crecimiento y biomasa escasa en muchos casos.

- Adaptación de las plantas al medio contaminado (tolerancia).

- Dificultad en contaminaciones polielementales (plantas distintas).

- Condiciones climáticas.

15 - 40 $ (10 – 30 €) m3 suelo

LIMITACIONES

FITOEXTRACCIÓN (Fitoacumulación)

FITORREMEDIACIÓN

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uDescontaminación de Suelos

FITODEGRADACIÓN (Fitotransformación)

FITORREMEDIACIÓN

CONCEPTOMetabolismo o degradación enzimática de contaminantes

orgánicos en el interior de la planta, transformándolos en no-tóxicos o disminuyendo su toxicidad (incluye la fitovolatilización).

Procesos:- Almacenaje de contaminantes en la planta (lignificación).- Degradación en CO2 y H2O.

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uDescontaminación de SuelosFITORREMEDIACIÓN

FITODEGRADACIÓN (Fitotransformación)

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COSTES

- Profundidad efectiva escasa (< 0,6 m), densidad enraizamiento.

- Riesgo de entrada de contaminantes en la cadena trófica.

- Uso de enmendantes o agentes quelantes para favorecer la absorción de los contaminantes (lixiviados).

- Está en fase de investigación.

15 - 40 $ (10 – 30 €) m3 suelo

LIMITACIONES

FITODEGRADACIÓN (Fitotransformación)

FITORREMEDIACIÓN

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uDescontaminación de Suelos

FITOESTABILIZACIÓN

FITORREMEDIACIÓN

CONCEPTOProducción de compuestos químicos por las plantas para

inmovilizar contaminantes en la interfase suelo – raíz.

Suele aplicarse en sitios moderadamente contaminados, cuando otros métodos de remediación fracasan.

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COSTES

- Grado de contaminación del suelo.

- Condiciones climáticas adversas.

- Se deben controlar los lixiviados (solubilidad de contaminantes).

- No extrae ni degrada contaminantes, sólo los inmoviliza.

15 - 40 $ (10 – 30 €) m3 suelo

LIMITACIONES

FITORREMEDIACIÓN

FITOESTABILIZACIÓN

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uDescontaminación de SuelosFITORREMEDIACIÓN

FITOESTIMULACIÓN

CONCEPTODegradación de contaminantes orgánicos (plaguicidas,

PAHs y disolventes orgánicos) en el suelo por mejora de la actividad microbiana en la rizosfera (biodegradación por rizosfera mejorada o rizodegradación).

Mecanismos en la rizosfera:

- La exudación de compuestos mejora la activ. microbiana.

- Oxigenación del suelo (transformaciones aeróbicas)

- La biomasa radicular incrementa el CO disponible.

- Las micorrízas (hongos) degradan contaminantes orgánicos.

- Mejora del hábitat para poblaciones microbianas.

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COSTES

- Plantas tolerables y con denso sistema radicular.

- Efectiva sólo en sitios con bajo grado de contaminación.

- Está en fase de investigación.

10 – 150 (8 – 115 €) $ m3 suelo

LIMITACIONES

FITORREMEDIACIÓN

FITOESTIMULACIÓN

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VENTAJAS

- Bajo coste.

- Preserva el suelo (no destruye su estructura ni fertilidad).

- Evita dispersión y lavado de contaminantes.

- Inmoviliza o degrada contaminantes (orgánicos).

- Efectiva para cont. Inorgánicos.

- Aceptación social (ecológica).

INCONVENIENTES

FITORREMEDIACIÓN

- Lenta (años).

- Producción de biomasa baja (densidad y longitud raíz).

- Contaminación elevada = toxicidad de la planta.

- Tratamiento de plantas, riesgo a la cadena trófica.

- Condiciones climáticas adversas.

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CASO PRÁCTICO

Localidad: Ensign-Bickford Company, Simsbury, Connecticut (USA)

Origen: 1996-97, quema y detonaciones al aire libre (OB/OD)

Contaminantes: Hasta 4.000 mg/kg de Pb (media 635 mg/kg)

Área contaminada: Indeterminada

Tratamiento: Fitoextracción y fitoestabilización (mostaza india y girasol, tres tratamientos; en parcelas de experimentación)

Duración: 7 meses

Resultado final: Reducción en algunas áreas de 635 a 478 mg/kg

Coste: no especificado

Observaciones: Suelos fertilizados y encalados para ajustar pH

Se instaló un sistema de riego y abonado foliar

En una parcela, la mostaza india llegó a adsorber hasta 3252 mg/kg de Pb

FITORREMEDIACIÓN

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situ

BIOPILAS

CONCEPTOMezcla de suelo contaminados y suelo enmendados, y

confinamiento en montones estáticos sometidos a aireación (inyección o vacío) y recogida de gases y lixiviado para su tratamiento.

DESCRIPCIÓN

Técnica a corto plazo (semanas - meses)

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APLICABILIDAD

- Efectiva para VOCs no halogenados y combustibles; efectividad variable para algunos VOCs halogenados, SVOCs y plaguicidas.

- Incrementa la biodegradación favoreciendo las condiciones de humedad, temperatura, nutrientes, oxígeno y pH.

- Impermeabilización completa de la pila (acompañar con técnicas de recogida y tratamiento de gases y lixiviados).

BIOPILAS

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COSTES

130 - 260 $ (100 – 200 €) m3 suelo

BIOPILAS

LIMITACIONES

- Excavación del suelo = riesgo de liberación de VOCs.

- Test previos de biodegradación del contaminante (cálculo de tasas de aireación y nutrientes).

- Poco efectiva en compuestos halogenados y explosivos.

- Uniformidad cuestionable (proceso estático, no mezcla periódica).

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CASO PRÁCTICO

Localidad: U.S. Army Fort Greely, Alaska (USA)

Origen: Excavaciones en zonas de almacenaje (1991 – 1993)

Contaminantes: SVOCs, VOCs, Fuels, BTEX (hasta 3000 mg/kg gasolinas y 20,2 mg/kg BTEX)

Volumen suelo : 15710 m3 filtrado y lavado, 13000 m3 tratado.

Tratamiento: Fase I: Filtrado y lavado; Fase II: Biopilas; Fase III: procesado de contaminantes.

Duración: 3 años

Resultado final: Fuels < 100 mg/kg; BTEX < 10 mg/kg; (descenso medio del 85%) y > 95% en VOCs y SVOCs.

Coste: Fase I: 26 $ m3; Fase II: 39 $ m3; Fase III: 22 $ m3.

Observaciones: Tratamiento combinado y con mezcla periódica.

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COMPOSTAJE

CONCEPTOMezcla de suelo contaminado con materiales porosos y

enmiendas orgánicas (serrín, paja, estiércol, restos vegetales) con el fin de promover la biodegradación (incremento de temperatura ).

Técnica a corto plazo (semanas - meses)

DESCRIPCIÓN

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APLICABILIDAD

- Explosivos y PAHs.

- Mantener condiciones de oxidación (aireación), humedad (irrigación) y temperatura (54 – 65 ºC)

- Métodos de aireación:

· Mezcla mecánica de montones (la más usada)

· Estática, inyección o bombeo en pilas.

· Agitación mecánica en contenedores.

- Controlar la emisión de VOCs y SVOCs.

COMPOSTAJE

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COSTES

150 – 180 – 220 $ (115 – 140 – 170 €) m3 sueloMezcla mecánica – Estática – Agitación mecánica

LIMITACIONES

- Requiere espacios grandes para su aplicación.

- La excavación del suelo puede liberar VOCs.

- Incremento importante de volumen (mats. enmendantes añadidos).

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CASO PRÁCTICO

Localidad: Dubose Oil Product Co. Cantonment, Florida (USA)

Origen: Lugar de tratamiento y reciclaje residuos (1993 – 1994)

Contaminantes: SVOCs (PAH), VOCs, BTEX (hasta 38,3 mg/kg VOCs, 576 mg/kg PAHs y 160 mg/kg PCP)

Volumen suelo : 35400 m3 excavados, 12000 m3 tratados.

Tratamiento: Compostaje, con recogida y tratamiento de lixiviados, inyección de aire e inoculación de nutrientes y humedad.

Duración: 1 año (cada tanda (1300 m3 máximo) hasta 30 días)

Resultado final: Limpieza de todos los contaminantes por debajo de los límites legales (PAH < 50 mg/kg; PCP < 37 mg/kg).

Coste: 644 $ m3 (total de operaciones, incluido el compostaje).

Observaciones: Tiempo estimado del compostaje, 7 meses.

COMPOSTAJE

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LANDFARMING

CONCEPTODisposición del suelo contaminado en capas lineales y

remoción periódica para favorecer la aireación, también se mejoran las condiciones para estimular la biodegradación (humedad, nutrientes, etc.)

Técnica a medio - largo plazo (meses - años)

DESCRIPCIÓN

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situ

APLICABILIDAD

- Hidrocarburos del petróleo (no VOCs), Combustibles, PCP y algunos plaguicidas.

- Degrada, transforma e inmoviliza contaminantes.

- Recogida y tratamiento de escorrentías y lixiviados.

LANDFARMING

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COSTES

150 $ (115 €) m3 suelo

LIMITACIONES

- Requiere espacios grandes para su aplicación.

- La excavación del suelo puede liberar VOCs.

- Incremento importante de volumen (mats. enmendantes añadidos).

LANDFARMING

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CASO PRÁCTICO

Localidad: Wood Pole Storage Area Vancouver, Washington (USA)

Origen: Tratamiento y secado de residuos (desde 1939)

Contaminantes: HPAHs (High molecular weight) y PCP (hasta 1500 mg/kg HPAHs y 500 mg/kg PCP)

Volumen suelo : 3030 m3 tratados.

Tratamiento: Cuatro series de tratamientos: Oxidación UV, peróxido, etanol (acondicionamiento y mejora) y nutrientes (biorremediación).

Duración: 15 meses (tratamiento medio por capa, 84 días)

Resultado final: Disminución media de la contaminación en un 80% (HPAH < 22 mg/kg; PCP < 21).

Coste: 357 $ m3 (total de operaciones).

Observaciones: La solución nutritiva a base de harina de pescado, alimentaba los microorgs. pero éstos no degradaban contaminantes, se sustituyó por un fertilizante nitrogenado.

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LODOS

CONCEPTOMezcla de suelos contaminados con lodos, agua y aditivos,

para favorecer la biodegradación al incrementar el contacto entre los microorganismos y el contaminante, dentro de un “bioreactor”.

Técnica a corto - medio plazo (semanas - meses)

DESCRIPCIÓN

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APLICABILIDAD

- Explosivos, PAHs, plaguicidas (primer tratamiento de SVOCs y VOCs al excavar un suelo).

- Biorreactores secuenciales aeróbicos/anaeróbicos, mejoran la remediación de PCB, algunos SVOCs halogenados y explosivos.

- 1º Tamizar suelo; 2º Mezclar suelo con agua, arena y lodo; 3º Añadir oxígeno y nutrientes (a veces tb. microorgs.) 4º Filtrado y secado del suelo y tratamiento de resíduos.

LODOS

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situ

COSTES

160 - 210 $ (125 - 165 €) m3 suelo

LIMITACIONES

- Tamizado previo del suelo (caro).

- Problemática en suelos heterogéneos y arcillosos.

- Filtrado y secado del suelo y tratamiento posterior de los contaminantes (caro).

LODOS

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COMPARATIVA DE MÉTODOS

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COMPARATIVA DE MÉTODOS

Las más usadas:In situ: Bioventing y Fitorremediación; Ex situ: Landfarming