Biobarreras

Santiago Cardona Galloscardona@unal.edu.co

4255112

Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín

Facultad de MinasEscuela de Geociencias y Medio Ambiente

Posgrado en Aprovechamiento de Recursos HidráulicosMayo 2 y 3 de 2006

Esquema contaminador de suelos y acuíferos

Modelo Conceptual

Biobarrera

Agua subterránea tratada

Agua subterránea contaminadaFuente

Modelo Conceptual

Procesos de transformación y transporte

Dinámica de la contaminación de suelos y acuíferos

Ciclo hidrológico y la contaminación

BRPBRP

GeoquímicaGeoquímica

TransporteTransporte contaminantescontaminantes

OxidaciónOxidaciónHidráulicaHidráulicaDiseñoDiseñoBRPBRP

Diseño reactorDiseño reactor

BiodegradaciónBiodegradación

AdsorciónAdsorción

PROBLEMA COMPLEJOPROBLEMA COMPLEJO

MODELO CONCEPTUALMODELO CONCEPTUAL

•BAJOBAJO GASTO ENERGETICOGASTO ENERGETICO

•BAJOBAJO COSTO DE OPERACION Y COSTO DE OPERACION Y

MANTENIMIENTOMANTENIMIENTO

•TRATA TRATA VARIOSVARIOS TIPOS DE CONTAMINANTES TIPOS DE CONTAMINANTES

•LARGALARGA DURACIÓN, SIMPLE Y DURACIÓN, SIMPLE Y PASIVOPASIVO

•PRODUCTIVIDADPRODUCTIVIDAD EN EL SITIO EN EL SITIO

•MODERADA INVERSIÓN INICIAL MODERADA INVERSIÓN INICIAL (-50% T Y B)(-50% T Y B)

•NO GENERANO GENERA EMISIONES O DESECHOS EMISIONES O DESECHOS

•MEDIOS MEDIOS REACTIVOSREACTIVOS DISPONIBLES Y DISPONIBLES Y

ECONÓMICOSECONÓMICOS

MODELO CONCEPTUALMODELO CONCEPTUAL Medio Reactivo

% de aplicación

Hierro cero valente 45 Sulfuro de hidrógeno 2 Oxihidróxido férrico 4 Fijación geoquímica 5 Silicatos de surfactantes modif icados 2

Fe cero valente y materiales sulfurosos 2

Cal 5 Aserrín 2 Zeolitas 6 Microorganismos 2 Turba 6 Molusco Fosil izados 2 Otros 17

MEDIOS REACTIVOS APLICADOS

MODELO CONCEPTUALMODELO CONCEPTUAL

CONTAMINANTES Compuestos Orgánicos % Compuestos Inorgánicos % Radionucleótidos % PCE 12 Arsénico 9 Cesio 6 DCE 13 Molibdeno 9 Estroncio 19 TCE 26 Plomo 11 Uranio 50 CFC-113 2 Cromo 31 Tecnecio 25 1,2,3, TCP 2 Cadmio 9 VOCs nohalógenados 2 Nitrato 7 Naftaleno 2 Níquel 3 PCBs 2 Cobre 3 Nitroaromáticos 2 Vanadio 3 Tolueno 2 Selenio 4 DCA 2 Otros 11 Metano halogenado 2 Benceno 3 CHCl3 4 Otros orgánicos halogenados 4 TCA 5 VC 6 CCL4 9

Contaminantes removidos

General:

Evaluar la capacidad del sistema de tratamiento pasivo de paredes para tratar suelos y agua subterránea contaminada con hidrocarburos.

Específicos:

•Determinar y caracterizar el suelo en estudio. •Determinar las cinéticas de la biodegradación y oxidación de diesel en agua. •Determinar los parámetros de diseño de la barrera reactiva permeable . •Aplicación de los procesos.

Objetivo

•Tecnología económica, costos 50% menor Bombeo y Tratamiento

•Alta remoción

•Manejable aplicación, operación y mantenimiento

•Tratamiento extenso en el tiempo

•Medios reactivos y paredes asequibles

•Eficiente

•Agua dulce 2.7%. Subterránea 22.40%. Ríos 0.01%.

•Volumen 9,376 MT. Derrames 32MG (1998) Mundial.

Estaciones de servicio: >2,500 en la Colombia.

Justificación

Costo barrera reactiva permeable vs. Tratamiento y bombeo

1. Plan experimental intermitente

1.1. Caracterización del suelo agrícola:

Porosidad, fracción de carbono orgánico, pH, nitrógeno, fósforo, clasificación textura del suelo, conductividad eléctrica, densidad de biomasa (UFC/gr), densidad real, densidad aparente, capacidad de campo, conductividad hidráulica, color, textura, contenido de agua.

 1.2. Estudio en reactores por lotes:Biodegradación Biodegradación con microorganismos SoA, N, H2O2 [40,000 mg/L

diesel] Cultivo en placa y crecimiento bacterialEstudio MEB

Oxidación

Adsorción del diesel en sueloFactor de retardo, R

Metodología

MetodologíaDiseño Barrera Reactiva Permeable

- Determinación cinética ecuación

- Modelo Flujo Pistón

- Cinética Primer orden

- Conductividad hidráulica

- Porosidad

- Velocidad flujo=th/b

1.3. Columnas Experimentales.Estudios en reactores dinámicos secuénciales (biodegradación y oxidación) y de un solo medio reactivo.

- Diseño BRP como un reactor flujo pistón, cinética enzimática, th, K, A, b, L, v, V, =10.7cm, h=30cm

- Construcción BRP

- Operación BRP: [diesel], pH, flujo, N, H2O2, UFC/g, análisis de metales

- N: 46%. H2O2: 50% industrial. [10,000 mg/L] diesel

RESULTADOS

Caracterización Suelo agrícola: cumple con las condiciones para el proceso.

Biodegradación:

No. CorridaCo

(mg/L)PorcentajeDegradado

k(d-1)

t1/2

(d)

2 %MR N1/2 th

(d)

CAN

1 31,480 70.4 0.0721 9.61 0.920 70.39 1.76 16.88

2 39,870 24.8 0.0161 43.040 0.956 24.81 0.41 17.71

Crecimiento de bacterias

A B

Comparación del suelo inalterado, foto A y al final del proceso de biodegradación del día 18, foto B.

Estudio de barrido con microscopio electrónico (MEB)

Tasa de crecimiento bacterial

1.00E+05

1.00E+06

1.00E+07

1.00E+08

1.00E+09

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Tiempo (días)

UF

C/g

Crecimiento bacterial en el suelo agrícola

Oxidación: K= 0.1128d-1 y t1/2=6.14 d

DISEÑO BIOBARRERADISEÑO BIOBARRERA

xdx

So Se

S S+dSi

dS0

x=0 x=L

Qo Qo

A

Sección

MODELO CONCEPTUALREACTOR FLUJO PISTÓN MODELO CONCEPTUALREACTOR FLUJO PISTÓN

DISEÑO BARRERA REACTIVADISEÑO BARRERA REACTIVAREACTOR FLUJO PISTÓN: REACTOR FLUJO PISTÓN:

REACCIÓN ENZIMÁTICA

CINÉTICA DE PRIMER ORDEN:

ESPESOR BARRERA: b=Q/A 1/K Ln(S/Se) =VX th

TIEMPO DE RESIDENCIA: th=1/K Ln(C/C0)

TIEMPO DE VIDA MEDIA: th= 1/K Ln2

NÚMERO DE VIDAS MEDIAS: th/t1/2

REMOCIÓN DE MASA: %MR = (1-e(-0.693th/t1/2

))100

MODELO McCarty:

e

olx

x

S

S oo S

S

kL

Q

A

kS

dS

Q

Adx e

o

ln1

0

OHe

nYYNOHC

YCO

Y

e

nNH

YO

YHC

esxesxsxsxe

mn 2/

275/

2/

3/

2

2

5

2

2204204

1

Resultados en Columnas

• Remoción: 80.5% de diesel con adición de peróxido de hidrógeno y nitrógeno.

• Remoción: 53.30% de diesel sin adición de H2O2 y N

• Remoción suelo estéril 44%

• Concentración inicial 10,000 mg/L de diesel

• Flujo 300 mL/d

Densidad bacterial en columnas

No. de columnaUFC/g

Suelo agrícola inalterado 6.400x105

80.5% 1.360x107

53.30% 1.044x107

Suelo estéril No presento

A

B

OPERACIÓN

DE

C

O

L

U

M

N

A

S

Conclusiones

•El estudio cumple con el objetivo planteado ya que se comprueba que una tratamiento pasivo de paredes es eficiente para el tratamiento de agua del subsuelo contaminada con diesel.

•El proyecto aporta al campo de la ingeniería de la remediación: los hidrocarburos del petróleo como el diesel son removidos eficientemente por medio de una barrera reactiva permeable, lo cual no se ha reportado en la literatura especializada.

•La concentración inicial de diesel tiene gran influencia en la tasa de biotransformación.

•En las condiciones del estudio realizado se presentó la biodegradación de diesel por el consorcio de microorganismos del suelo agrícola.

•La tecnología desarrollada permitirá a las empresas colombianas que ofrecen servicios de remediación (principalmente al gobierno) aplicarla para sanear derrames de diesel e hidrocarburos.

Fin de la Presentación

Gracias