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Técnicas de Recuperación de Suelos Contaminados Aplicadas a
Sedimentos Marinos. Posibilidades Irene Ortiz Bernad
Dpto. de Edafología y Química Agrícola Universidad de Granada
Restauración Ambiental y Medidas Compensatorias Aplicadas al Ámbito PortuarioPuertos del Estado, Madrid 24 de Enero, 2017
Lodos marinos de dragado
-‐ Esenciales para posibilitar el acceso a los puertos de los buques y para el desarrollo de las estructuras portuarias
-‐ Con5enen carga contaminante � Categoría I: Efectos nulos, se pueden verter libremente al mar � Categoría II: Concentraciones moderadas, ver5do controlado � Categoría III: Concentraciones elevadas contaminantes, no deben ser
ver5dos y requieren un proceso de descontaminación
Metales pesados, metaloides (As, Cd, Cu, Cr, Hg, Ni, Pb, Zn), PCBs, HAPs, TBT y productos de degradación, hidrocarburos, pesBcidas organoclorados
Contaminación del suelo
Poder de amortiguación: Capacidad natural de depuración. El suelo actúa como barrera protectora de otros medios más sensibles como el hidrológico o biológico (la fracción arcilla, < 2μm, tiene gran capacidad de retención de contaminantes; efecto de la materia orgánica)
SUELO
Persistencia: regula el periodo de actividad de la sustancia y su peligrosidad
Biodisponibilidad: asimilación del contaminante por los organismos
Movilidad: regula la distribución del contaminante y su posible transporte a otros sistemas
Carga crítica: cantidad máxima de un determinado componente que puede ser aportado al suelo sin que se produzcan efectos nocivos
CONTAMINANTE
Planificación de un proyecto de descontaminación de suelos • Fase 1. Valoración preliminar (Preliminar site assessment) -‐ Valoración general de la contaminación y su peligrosidad -‐ Caracterización del si5o (geología, hidrología, población, etc.) -‐ Inspección del si5o y valoración in situ de la problemá5ca
• Fase 2. Inves5gación detallada (Ini5al site inves5ga5on) -‐ Naturaleza, localización, extensión y procedencia -‐ Muestreo superficial y subsuperficial. Análisis en el laboratorio
• Fase 3. Planificación (Remedial inves5ga5on/feasibility study) -‐ Valoración de riesgos. Medidas urgentes de protección inmediata -‐ Definición de los obje5vos de la limpieza y delimitación de las concentraciones máximas permisibles de contaminantes -‐ Posibles alterna5vas de recuperación (comportamientos previsibles, probable efec5vidad, costes del proceso y costes del seguimiento) y su discusión -‐ Elección de la alterna5va más recomendable
Fase IV. Plan de actuación (Record of Decision) -‐ Planificación prác5ca de la alterna5va más fiable -‐ Ensayo piloto y planteamiento final -‐ Estudio detallado de parámetros técnicos y seguimiento temporal -‐ Estudio de resultados y planificación del seguimiento posterior
Procesos responsables de la redistribución y acumulación de contaminantes en los suelos
Riesgo importante: almacenaje de compuestos tóxicos inactivos que pueden activarse en otras condiciones (moléculas orgánicas y metales pesados: solubilización, importancia de las condiciones rédox y la especiación)
Mecanismos para el control de contaminantes: reacciones de precipitación-disolución, reacciones ácido-base, reacciones de oxidación-reducción, reacciones de adsorción-desorción, reacciones de complejación, procesos metabólicos
Mecanismos de salida de contaminantes: volatilización, bioasimilación, disolución en agua, erosión
Tratamientos de descontaminación de suelos
Laboriosos, complejos, lentos, costosos, de resultados incompletos ¿Recuperar los suelos o destruirlos?
Lodos marinos ¿Devolverlos al mar o almacenarlos en vertederos controlados?
Técnicas de recuperación de suelos
• Contención Aíslan el contaminante sin actuar sobre él, mediante barreras físicas • Confinamiento Reducen la movilidad del contaminante actuando sobre condiciones físico-químicas de los contaminantes • Descontaminación Disminuyen la concentración del contaminante
(Kaifer et al., 2004)
In situ: en el lugar donde se localizan Ex situ: excavación previa on-site u off-site
Tipo de Tratamiento Tratamiento Aplicación
Descontaminación
Biológico
Extracción Lavado Flushing Electrociné5ca Adición de enmiendas Barreras permeables ac5vas Inyección aire comprimido Pozos de recirculación Oxidación ultravioleta
In situ Ex situ In situ In situ In situ In situ In situ In situ Ex situ
Biodegradación asis5da Biotransformación metales Fitorrecuperación Bioven5ng Landfarming Biopilas Compostaje Lodos biológicos
In situ In situ In situ In situ Ex situ Ex situ Ex situ Ex situ
Tipo de Contaminante
Orgánicos e Inorgánicos
Orgánicos e Inorgánicos
Térmico
Físico-‐químico
Incineración Desorción térmica
Ex situ Ex situ
Explosivos-‐Org Orgánicos
Tanque de agitación
Filtro Filtro
Clarificador
Hidrociclón
Polímero
Tierra fina
Aire
Suelo contaminado
Suelo limpio
Tratamiento de aguas
Fracción gruesa desechada Tamiz
Agente de lavado
Agua limpia
Flotador de espuma
Lodos arcillosos y limosos para su eliminación
Agua
Agua reciclada
Lavado
Descontaminación Tratamiento físico-químico
• Extracción ex-situ de contaminantes adsorbidos en el suelo mediante ataque químico tras tamizado • Lavado con extractantes químicos que desorben y solubilizan, lavado posterior con agua • Contaminantes orgánicos semivolátiles, hidrocarburos, cianuros y metales
Nivel del agua subterránea
Pozo de inyección
Suelo contaminado
Pluma de contaminación
Pozo de extracción
Tratamiento del agua subterránea
Separador Residuo
Emisión controlada de gases
Agua tratada
Gases tratados
Solución extractante
Solución extractante
Solución de lavado con contaminantes
Flushing
Descontaminación Tratamiento físico-químico
• Extracción de contaminantes con agua o soluciones acuosas inyectadas • Todo tipo de contaminantes, especialmente inorgánicos • Eficaz en sedimentos permeables, requiere vigilancia estrecha
Cátodo - Ánodo +
Corriente eléctrica
+ + +
+
- -
- - -
Pozo de extracción Pozo de purga
Suelo contaminado
Nivel del agua subterránea
Extracción/Procesado de fluidos
Proceso electrocinético
Descontaminación Tratamiento físico-químico
• Migración de contaminantes mediante aplicación de una corriente eléctrica con electrodos • Aniones al electrodo positivo y cationes al negativo • Metales solubles o complejados en forma de óxidos, carbonatos e hidróxidos. • Bajo consumo energético y acumulación de contaminantes en electrodos que se pueden limpiar
H+ de oxidación del agua genera un frente ácido que provoca desorción
OH-‐ de reducción del agua provocan precipitación metales
Agua subterránea descontaminada Flujo de agua subterránea
Fuente de contaminación
Barrera permeable
Superficie del terreno
Barrera permeable activa
Descontaminación Tratamiento físico-químico
• Pantalla perpendicular al flujo de la pluma contaminante que adsorbe, precipita o degrada • In situ • Contaminantes orgánicos e inorgánicos según el material de la pantalla (Fe0 para degradación abiótica por procesos oxido-reducción, nutrientes para biodegradación, carbón activo o arcillas adsorbentes)
Adición de enmiendas
Adición de carbonatos
Descontaminación Tratamiento físico-químico
Adición de enmiendas
Adición de óxidos de Fe Descontaminación Tratamiento físico-químico
Adición de enmiendas
Adición de zeolitas (adsorbentes)
Descontaminación Tratamiento físico-químico
BIORRECUPERACIÓN
• Tratamientos de recuperación que degradan contaminantes orgánicos o disminuyen la toxicidad de contaminantes inorgánicos mediante la realización de las ac5vidades metabólicas de microorganismos, fundamentalmente bacterias.
• Se basan en la adaptación de los organismos al medio y en proporcionar condiciones adecuadas para su desarrollo (nutrientes, humedad, pH, temperatura, etc..).
• Microorganismos autóctonos y alóctonos.
• Tecnologías más sencillas, más baratas y respetuosas con el medio ambiente, pero lentas y di\ciles de extrapolar en tratamientos in situ.
Estimulación in situ de la actividad de microorganismos del suelo (o inoculados) mediante la circulación de soluciones acuosas saturadas en oxígeno, ricas en nutrientes, fuentes de carbono y donadores y aceptores de electrones.
Técnica a largo plazo (años)
Biodegradación asistida
Descontaminación Biológico in situ
Biotransformación de metales • Reacciones rédox • Metilación • Formación de complejos • Biosorción • Acumulación intracelular
Descontaminación Biológico in situ
Procesos de inmovilización de metales tóxicos que dependen de la especiación de los metales y las condiciones del medio
Biotransformación de metales
Zona de bioprecipitación
Inyección de acetato
Geobacter
U(VI)
Acetato 2 CO2
Fe(III) Fe(II)
U(IV)
Flujo de agua subterránea
U(VI)
U(VI)
U(VI) V(V)
V(V)
V(IV) V(V)
Célula de combustible microbiana
Bacterias sobre el electrodo
Aceptores de electrones
O2 H2O
Estrategia de biorrecuperación de ambientes subsuperficiales contaminados con compuestos orgánicos
Donadores de electrones
Electrodo de trabajo (cátodo)
Contraelectrodo (ánodo)
Electrodo de referencia
Potenciostato
Suministro de pequeñas corrientes eléctricas en suelos y aguas contaminadas puede servir para mantener biorreducción, precipitación y eliminación de metales tóxicos
Fitorrecuperación
Descontaminación Biológico in situ
• Fitoestabilización • Fitoextracción • Fitodegradación • Fitovolatilización • Rizofiltración
• Plantas extraen, acumulan, inmovilizan o transforman contaminantes. • Metales, explosivos y otros compuestos orgánicos • Procesos lentos, vigilar la toxicidad para las plantas
Técnica a corto plazo (semanas -‐ meses)
Biopilas
Mezcla suelo contaminado con orgánicos (petróleo) en montones o pilas sucesivas a los que se es5mula ac5vidad microbiana aerobia mediante inyección/extracción de aire y adición de nutrientes, minerales y agua.
Descontaminación Biológico ex situ
Lodos biológicos
Excavación, tamizado y mezcla con lodos, agua y otros adi5vos en un biorreactor controlado. Se favorece la biodegradación de contaminantes orgánicos al incrementar el contacto entre los microorganismos y el contaminante y permite un control de todos los parámetros de crecimiento biológico. Filtrado, secado y tratamiento de residuos.
Descontaminación Biológico ex situ
Técnica a corto (semanas -‐ meses)
Incineración
Ex situ, calentamiento 800-‐1200 ºC en horno, destrucción total del sedimento y contaminantes, dando gases y cenizas que pueden contaminar la atmósfera.
Descontaminación Térmico ex situ
Tipo de Tratamiento Tratamiento Aplicación
Contención
Confinamiento
Barreras ver5cales Barreras horizontales Barreras de suelo seco Barreras hidráulicas Sellado profundo
In situ In situ In situ In situ In situ
Estabilización \sico-‐química Inyección de solidificantes Vitrificación
Ex situ In situ In-‐Ex situ
Tipo de Contaminante
Orgánicos e Inorgánicos
Inorgánicos Inorg.-‐Org.
Confinamiento
• Reduce movilidad inorgánicos mediante reacciones químicas que reducen solubilidad • Tamizado previo, aditivos o agentes estabilizantes como cementos, fosfatos o álcalis que suben pH • Buenos resultados para contaminantes inorgánicos y orgánicos, reutilización o vertederos • Inyección solidificantes: similar pero in situ en pozos
Estabilización físico-química
Electrodo Electrodo
No volátiles
Volátiles
Gases para su tratamiento
Capa flotante
Colector de gases
Cubierta porosa fría
Vitrificación
Confinamiento
• Transformación a material vítreo (obsidiana) estable por calentamiento > 1500 ºC • Ex situ (corriente eléctrica en hornos)- In situ (electrodos de grafito, solidificación) • Buenos resultados para confinar contaminantes inorgánicos y orgánicos • Elevado coste y consumo energético, modificación total del sedimento
Evaluación de riesgos potenciales para ecosistema o ser humano en lugares contaminados Caracterización de la zona Estudio de mejores alternaBvas de tratamiento Diseño, plan de tratamiento y monitorización Seguimiento del proceso de limpieza y reuBlización
https://www.epa.gov/superfund
COSTE DEL TRATAMIENTO DE LOS SUELOS CONTAMINADOS (en €/m3 suelo)
Tratamientos in situ Técnicas de extracción 50-‐80 Técnicas biológicas 50-‐80 Tratamientos ex situ DESCONTAMINACIÓN Excavación y transporte 15-‐30 Relleno con suelo limpio 15 Limpieza de suelos 150-‐200 Biorrecuperación 150-‐200 Incineración 100-‐500 CONFINAMIENTO Solidificación 100-‐150 Vitrificación 250
Reflexiones finales: métodos más facBbles
-‐ Contención o confinamiento • Estabilización \sico-‐química (agentes estabilizantes) • Vitrificación
-‐ Descontaminación � Métodos \sico-‐químicos: Lavado (extractantes), Electrociné5ca � Biorrecuperación: Biodegradación, Lodos biológicos (orgánicos), células
microbianas de combus5ble???? � Incineración o desorción térmica (buena ges5ón de gases residuales)
Valorar Bpo de contaminantes, volumen lodos marinos y costes Tratamientos mixtos In situ y/o ex situ
MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN
Restauración Ambiental y Medidas Compensatorias Aplicadas al Ámbito PortuarioPuertos del Estado, Madrid 24 de Enero, 2017