Uno de los métodos de biorremediación de suelos contaminados con hidrocarburos son las biopilas, las cuales se definen como un proceso biológico controlado donde los contaminantes orgánicos son biodegradados y mineralizados, y se utilizan para reducir las concentraciones de los hidrocarburos totales del petróleo (HTP) en suelos contaminados con hidrocarburos.
El proceso consiste en formar pilas con el suelo contaminado y estimular la actividad microbiana, aireando o adicionando nutrientes y humedad.
En este trabajo se describe el diseño, construcción y operación de una biopila para el saneamiento del suelo contaminado con hidrocarburos, en una Terminal de Almacenamiento y Distribución (TAD), con una concentración promedio de HTP de 21,000 mg/Kg y un volumen de suelo a sanear de 5,323 metros cúbicos.
En México existe un número considerable de sitios contaminados con hidrocarburos, como resultado de fugas o descargas accidentales de petróleo crudo, combustóleo, gasóleo, gasolina, diesel y turbosina, así como por la disposición de recortes de perforación, lodos aceitosos y aceites lubricantes gastados, que se han producido dentro y fuera de las instalaciones productoras y almacenadoras. En muchos casos, estos derrames han dañado el subsuelo y el agua subterránea y su saneamiento es complejo, debido a que los contaminantes se presentan en forma de mezclas.
El sistema de las biopilas también se conoce como bioceldas, biomontículos o pilas de composteo. Se utilizan para reducir las concentraciones de los HTP en suelos contaminados con hidrocarburos mediante la biodegradación.
La biopila se define como un proceso biológico controlado, donde los contaminantes orgánicos son biodegradados y mineralizados. Consiste en formar pilas con el suelo contaminado y estimular la actividad microbiana, aireando o adicionando nutrientes y humedad. El incremento de la actividad microbiana es proporcional a la reducción de las concentraciones de HTP (figura 1).
La tecnología de biopilas es similar a la biolabranza, ya que ambas se realizan fuera del sitio, utilizan el oxígeno contenido en el aire y estimulan el crecimiento de bacterias aerobias, las cuales degradan los constituyentes del petróleo adsorbido por el suelo; pero la diferencia radica en la forma de suministrar el oxígeno. Es decir, en la biolabranza se suministra el oxígeno labrando o arando el suelo contaminado, mientras que en las biopilas el aire se inyecta o extrae a través de tubos perforados o ranurados que atraviesan la pila (figura 1, EPA, 1994).
Una vez formadas o construidas las pilas, éstas deben cubrirse con una tapa de plástico para evitar la volatilización de HTP y pérdida de calor en el proceso. Si la concentración de compuestos volátiles es significativa, deberá colocarse un filtro a la salida del aireador, para tratar los gases antes de ser liberados a la atmósfera.
Desarrollo marco teórico
La biodegradación de los hidrocarburos, es un proceso mediante el cual los microorganismos reducen la complejidad de los compuestos químicos a compuestos más simples. Es decir, de menor peso molecular, por lo que se presenta como una opción muy viable para el tratamiento de los suelos contaminados con hidrocarburos.
Para que la degradación se lleve a cabo, es necesario que existan las condiciones ambientales adecuadas, así como la cantidad suficiente de microorganismos degradadores de hidrocarburos, y que por lo general éstos son los microorganismos autóctonos del sitio contaminado. En caso de que las condiciones ambientales y las unidades formadoras de colonias (UFC) no sean suficientes, es necesario establecerlas mediante procesos de ingeniería.
Uno de los principales problemas de la biodegradación, es que en presencia de altas concentraciones del contaminante en el suelo, pueden existir efectos de toxicidad sobre la población microbiana. Otro, es la insuficiencia de nutrientes en el suelo. Sin embargo, la presencia de cantidades mínimas de nitrógeno y fósforo permiten la biodegradación en el suelo aunque a velocidades muy bajas.
Los factores ambientales que afectan la actividad microbiana y, por lo tanto, la biodegradación, son: contenido de humedad, temperatura, nutrientes inorgánicos (principalmente nitrógeno y fósforo), aceptores de electrones (oxígeno, nitrato, sulfato), pH, presencia de metales pesados, tipo y cantidad de material orgánico presente.
La biodegradación de los hidrocarburos se lleva a cabo principalmente por 2 grupos de microorganismos: las bacterias y los hongos. Las bacterias tienen un crecimiento muy rápido y una mayor capacidad de adaptación a los medios contaminados.
La biodegradación depende de un adecuado suministro de agua, por lo que es importante conocer la porción de agua disponible para los microorganismos. Ésta puede conocerse indirectamente por medio de la capacidad de campo que depende de la textura y porosidad del suelo. La biodegradación de los hidrocarburos es óptima con un contenido de humedad entre 70 y 95 por ciento de la capacidad de campo.
Los nutrientes inorgánicos principales para la biodegradación son el nitrógeno y el fósforo. El primero es necesario para la síntesis de proteínas y la pared celular, mientras que el fósforo es necesario para formar los ácidos nucleicos y para el ATP. El nitrógeno puede perderse rápidamente en el suelo debido a la lixiviación del amonio y nitratos y por la desnitrificación del suelo. El fósforo se encuentra frecuentemente limitado debido a su baja solubilidad y biodisponibilidad. El fósforo orgánico en suelos se encuentra principalmente en los ácidos húmicos, mientras que el fósforo inorgánico se encuentra en combinación con el Fe, Al, Ca, F.
La biorremediación depende principalmente de la actividad de los microorganismos aerobios, por lo que se requiere un suministro adecuado de oxígeno al suelo. Aproximadamente, se requieren 3 kilos de oxígeno por un kilo de hidrocarburos para asegurar una buena degradación. Cuando los poros del suelo se encuentran ocupados por moléculas de agua, la difusión del oxígeno es menor y se pueden presentar condiciones anóxicas. Para tener una degradación aerobia es necesario tener aproximadamente 10 por ciento de poros libres en la matriz del suelo.
Los contaminantes orgánicos presentes en el suelo, son la fuente de carbono que los microorganismos requieren para la biodegradación.
Biopilas
La efectividad de la biopila depende de los siguientes factores:
1) Características del suelo.
2) Características de los contaminantes.
3) Condiciones climatológicas.
Ventajas de las biopilas
• Los contaminantes se destruyen en vez de pasar a otra condición.
• El diseño y construcción son relativamente fáciles.
• El saneamiento del suelo se lleva a cabo en un periodo de entre 3 y 6 meses, dependiendo de las condiciones climáticas, la concentración de hidrocarburos y del tipo de suelo.
• El suelo saneado mediante biopilas no requiere ser confinado después.
• Las biopilas ofrecen un costo más competitivo con respecto de otras técnicas de saneamiento de suelos.
Limitaciones
• Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) de 5 y 6 anillos son difícilmente degradables en las biopilas.
• Las biopilas no son efectivas para concentraciones de HTP superiores a 50,000 mg/Kg.
• La presencia de metales pesados pueden inhibir el crecimiento de microorganismos.
Criterios para la selección de la tecnología
• Establecer la extensión del suelo contaminado (volumen y datos del sitio).
• HTP < 50 000 ppm.
• Bacterias heterótrofas > 1 000 UFC/lg en suelo seco.
• pH entre 6 y 9.
• Contenido de humedad de entre 70 y 95 por ciento de la capacidad de campo.
• Bajo contenido de arcilla o limo.
• C:N:P:K debe ser aproximadamente de 100:15:1:1.
• Metales tóxicos < 2 500 mg/Kg.
Metodología
• Establecer los niveles de limpieza con base en los Criterios Interinos de Restauración de Suelos.
• Determinar los volúmenes de suelo por sanear.
• Seleccionar la técnica de saneamiento.
• Seleccionar el sitio óptimo para el saneamiento.
• Preparación de la base.
• Diseñar el sistema de aireación.
• Calcular la cantidad de nutrientes o humedad requeridos.
• Diseñar el sistema de drenaje e irrigación.
Establecer los niveles de limpieza con base en los cirs
En México existen los Criterios Interinos de Restauración de Suelos (CIRS), establecidos por la Procuraduría Federal de Protección al Ambiente (Profepa, 1998), y aunque no tienen la categoría de Norma Oficial Mexicana, son los únicos parámetros que existen para establecer los niveles de limpieza en un suelo contaminado.
Por esto se compararon las concentraciones promedio de los contaminantes en el suelo, con los valores establecidos por los CIRS para un uso de suelo industrial y tipo de contaminante de residuos aceitosos. También se buscaron parámetros internacionales que establecieran concentraciones máximas permisibles en el suelo. En la tabla 1 se comparan las concentraciones máximas encontradas en el suelo de la TAD, con los CIRS y las concentraciones de comparación establecidas en la normatividad de la Agencia de Protección Ambiental (EPA) de Estados Unidos.
En la tabla anterior se observa que únicamente se rebasa la concentración límite establecida para los HTP, de acuerdo con lo establecido en los CIRS (Profepa, 1998), por lo que será necesario aplicar tecnologías de saneamiento para reducir las concentraciones máximas detectadas de 59,213 mg/kg a 2,000 mg/kg para cumplir con los valores permisibles establecidos por los CIRS.
Volúmenes de suelo por sanear
Con los datos de HTP, obtenidos de las muestras de suelo, se alimentó el programa RockWorks para obtener las curvas de isoconcentraciones y con estas curvas calcular las áreas y los volúmenes de suelo con concentraciones por arriba del valor permisible 2,000 mg/kg (Profepa, 1998), a fin de conocer el volumen del suelo afectado. Es importante mencionar que se consideró un espesor de 2.48 m para calcular el volumen contaminado. En la tabla 2 se presentan las áreas y volúmenes de suelo que sobrepasan el valor permisible.
De acuerdo con la tabla 2, el volumen de suelo contaminado es de 8,155 m3 en la zona noroeste de la TAD. Es importante destacar que 70 por ciento del volumen contaminado tiene una concentración de HTP < 20,000 mg/kg.
Dadas las condiciones geohidrológicas de la zona, el tipo de suelo contaminado, la alta permeabilidad, el bajo contenido de material arcilloso y los resultados del estudio de riesgo a la salud, se considera que el suelo con concentraciones por debajo de 10,000 mg/kg se rehabilite por atenuación natural con un monitoreo periódico para conocer la tasa de reducción de las concentraciones con el tiempo, y para el suelo con concentraciones por arriba de 10,000 mg/kg, se considera la opción de aplicar una tecnología de saneamiento, con lo que se reduce el volumen de suelo a tratar a 5,323 m3.
