Procesos de remediación de agua subterránea en ambientes de baja permeabilidad

Los procesos de urbanización e industrialización, con un creciente desarrollo en las últimas décadas, han originado modificaciones en las condiciones naturales afectando los recursos hídricos superficiales y subterráneos.

Las propiedades hidráulicas y la composición de los materiales que constituyen el subsuelo tienen influencia directa en el escurrimiento e infiltración del agua hacia el acuífero y el transporte de posibles contaminantes. Dicho escenario adquiere un interés especial en relación a la afectación con sustancias derivadas del petróleo, como consecuencia de fugas o derrames accidentales.

La selección de una estrategia de remediación adecuada y eficiente involucra una serie de aspectos relacionados a las propiedades del contaminante y las características físicas del sitio, hecho que en ocasiones genera una limitante en relación a la evolución adecuada del proceso.

Análisis de alternativas 

La contaminación por hidrocarburos es uno de los problemas medioambientales más importantes que aquejan a la industria del petróleo. Los hidrocarburos afectan la calidad de agua subterránea en muchos lugares del mundo, donde el más común de los problemas es la liberación de productos derivados del petróleo hacia las napas de agua (Newell et al., 1995).

La infraestructura relacionada con la actividad petrolera está integrada por pozos, baterías de separación, centrales de almacenamiento y bombeo, red de ductos y presas. Dichas instalaciones poseen riesgos inherentes a fugas por roturas, filtración o derrames.

El destino y transporte de una fase contaminante en el subsuelo está determinado por las propiedades del líquido (densidad, viscosidad, tensión interfacial, solubilidad), las características geológicas del medio (porosidad, permeabilidad, densidad aparente) o de ambos (presión capilar, permeabilidad relativa, humectabilidad, saturación residual y tamaño de poros, entre otras). Una evaluación detallada de tales aspectos generalmente condiciona la obtención de valores para todos los parámetros por lo que en ocasiones la falta de información puede ser suplantada por la estimación a partir de datos obtenidos de la literatura.

Cuando un recurso es afectado por el derrame de sustancias contaminantes se requiere la implementación de un adecuado plan de contingencia a corto plazo. La remediación, en un sentido amplio, se refiere a la reducción del riesgo causado por la exposición a sustancias que resultan nocivas para el ser humano, animales y plantas.

La evaluación de la contaminación y las posibilidades de remediación deben ser analizadas a partir de modelos matemáticos los cuales posibilitarán contar con distintos escenarios de comportamiento y calidad del agua subterránea. Las técnicas de tratamiento, de suelo y agua subterránea, consisten en la aplicación de procesos químicos, físicos o biológicos a desechos o materiales contaminados a fin de cambiar su estado en forma permanente o modificarlo a fin de que dejen de ser peligrosos (Flores y col., 2001).

Los ambientes de planicie costera, constituyen un escenario de especial interés al momento de evaluar la capacidad del conjunto de técnicas de remediación existentes en el mercado. En general se trata de zonas caracterizadas por gradientes topográficos bajos, relieve monótono, mal drenado, con divisorias de agua superficial, prácticamente indiferenciables donde predominan sedimentos arcillosos y limoarcillosos.

En base a experiencias de campo, se establece para dichas unidades valores de permeabilidad muy bajos, del orden de entre 1.10-1 m/d y 1.10-3 m/d.

La aplicación de metodologías convencionales en sitios con tales características evidencia una disminución de la eficacia del proceso como consecuencia del retraso generado por el pasaje de la fase contaminante a través de materiales muy poco permeables.

La selección de una técnica de remediación factible de ser implementada en ambientes caracterizados por sedimentos de baja permeabilidad implica el análisis de las distintas alternativas desde un punto de vista técnico y económico. El análisis de las opciones debe realizarse a través de procesos de modelación en forma conjunta considerando los medios involucrados (aire, agua y suelo) y estableciendo objetivos alcanzables. Un sistema inadecuado puede causar reducción de la capacidad y transferencia de masa contaminada hacia las demás fases limpias.

El conjunto de metodologías se puede clasificar en biológicas, físico-químicas y térmicas.

Técnicas de remediación biológicas

Las técnicas de remediación biológicas presentan bajo costo y no implican efecto nocivo en el medioambiente. Se basan en la aplicación de microorganismos naturales (levaduras, hongos o bacterias) existentes en el medio que degradan sustancias peligrosas en otras de carácter inocuo para el medio ambiente. (Leahy y Colwell, 1990).

Dentro del grupo se distinguen: 

• Atenuación Natural Monitorizada (MNA): Según la Agencia de Protección Medioambiental de Estados Unidos [U.S EPA, 1999ª, p.3] se trata de un “conjunto de procesos naturales (físicos, químicos y biológicos) que bajo condiciones favorables contribuyen a la reducción de la masa, toxicidad, movilidad, volumen, o concentración de los contaminantes en el medio sin la intervención humana”.
• Bioventing: Se basa en la inyección a presión de oxígeno produciendo la ventilación forzada del suelo, lo que favorece la migración de la fase volátil y la biodegradación, estimulando la actividad bacteriana. La permeabilidad, textura y estructura de la matriz condiciona el ritmo de suministro y movimiento de los vapores (Figura 1).

Figura 1. Sistema de bioventing usando extracción de vapor. Fuente: www.epa.gov/oust/pubs/tum_ch3.pdf

• Biopilas: Involucra la adición y mezclado del suelo contaminado con componentes primarios de una composta. La construcción de pilas se realiza mediante capas de material seguido de tuberías de aireación e hidratación hasta alcanzar la altura deseada (Figura 2). El sistema, puede ser abierto o cerrado aunque generalmente éstos últimos son mejores porque permiten mantener la temperatura y evitan la saturación debido a lluvias, además de disminuir la evaporación de agua y de compuestos orgánicos volátiles (Eweis et al. 1998).

Figura 2. Esquema de remediación con biopilas.

Fuente: www.epa.gov/oust/pubs/tum_ch4.pdf

• Fitorremediación: Se emplean especies arbóreas que presentan afinidad por los compuestos orgánicos. El mecanismo de remediación se extiende hasta la profundidad de alcance de las raíces.
• Landfarming: Implica el retiro del material contaminado y su combinación con material limpio. La mezcla debe poseer buenas características de laboreo agrícola, ausencia de piedras y pH cercano a la neutralidad. Es similar al tratamiento por biopilas, aunque éste es gasificado por labrado y la biopila mediante sistemas de ingeniería (Figura 3).

Figura 3. Esquema de un Landfarming.

Fuente: www.epa.gov/oust/pubs/tum_ch5.pdf

• Biorreactores: Se define como un depósito donde se incorpora material afectado, agua, nutrientes y cultivos densos de microorganismos, en el cual se producen una serie de reacciones de desintegración llevadas a cabo por las enzimas que se encuentran dentro del sistema.

Técnicas de remediación térmicas

Las técnicas de remediación térmicas ofrecen tiempos muy rápidos de limpieza y se basan en la implementación de temperatura para incrementar la volatilidad (separación), quemado, descomposición (destrucción) o fundición de los contaminantes (inmovilización).

Se puede mencionar:

• Desorción térmica: Se basa en la colocación del suelo contaminado en una atmósfera inerte con el objetivo de incrementar la presión de vapor de los contaminantes orgánicos y pasarlos a la fase gaseosa, exponiendo el material a temperaturas de 250- 550 ºC. Dentro del grupo es importante mencionar la Inyección de vapor (Figura 4) al subsuelo mediante pozos, lo que genera un calentamiento, movilización y evaporación de las sustancias.

Figura 4. Sistema de Inyección de vapor

Fuente: EPA/540/S-97/505

• Incineración: Las temperaturas de operación son del orden de 870 a los 1,200 ºC y tienden a volatilizar y quemar compuestos orgánicos y halogenados en presencia de oxígeno. (Van Deuren et al. 1997) 
• Pirólisis: En este caso la descomposición química inducida por calor se produce en ausencia de oxígeno. El proceso normalmente se realiza a presión y temperaturas de operación mayores a 430 °C. El equipamiento utilizado es similar a los descritos para el método anterior, pero se debe emplear a menor temperatura debido a la ausencia de aire. (Riser-Roberts 1998)
• Vitrificación: Se produce una corriente eléctrica entre electrodos colocados verticalmente en el suelo, lo que genera una alta temperatura (1500-2000 °C) causando la formación de vidrio que incorpora los desechos del suelo afectado.

Técnicas de remediación físico-químicas

Las técnicas de remediación físico-químicas son generalmente accesibles, de costo moderado y escaso periodo de tratamiento. El fundamento radica en las propiedades de los contaminantes o del medio contaminado para destruir, separar o contener la afectación.

Dentro de las mismas se encuentran:

• Extracción de vapores: Consiste en la generación de vacío en pozos ubicados por encima del nivel freático, de forma que se bombean los volátiles contenidos en la zona no saturada (Figura 5). Los gases obtenidos deben ser tratados o almacenados para evitar su dispersión. La efectividad del sistema depende principalmente de la volatilidad de los contaminantes y de la permeabilidad y homogeneidad del suelo. (Sellers, 1999)

Figura 5. Esquema de extracción de vapores.

Fuente: www.epa.gov/oust/pubs/tum_ch2.pdf

• Aire Sparping: Se aplica aire a través de pozos en la zona saturada, lo que permite la transferencia de hidrocarburos disueltos en el agua a fase vapor. La efectividad aumenta en combinación con la extracción de vapor del suelo que genera una presión negativa en la zona no saturada y permite controlar la migración de la pluma (Figura 6).

Figura 6. Combinación de las técnicas de extracción de vapor del suelo y aireación del suelo

Fuente: www.epa.gov/oust/pubs/tum_ch7.pdf

• Lavado del suelo: Se dispone el material afectado en una unidad de lavado y se adicionan surfactantes o cosolventes, con características hidrofóbicas o hidrofílicas, que combinados con agua, modifican las propiedades físicas de los hidrocarburos. La fase líquida se envía a una planta de tratamiento, mientras que la fase sólida se enjuaga nuevamente con agua limpia.
• Inundación del suelo: Consiste en inyectar una solución química a través de un pozo. Los reactivos se acumulan en la interfase hidrocarburo/agua, particionando los compuestos orgánicos, aumentando la solubilidad aparente en la fase disuelta y la deserción de los compuestos sorbidos. De esta forma el contaminante es disuelto, suspendido y retirado como fase líquida.
• Solidificación- Estabilización: El suelo contaminado se mezcla con aditivos para inmovilizar los contaminantes, disminuyendo o eliminando la lixiviación. La solidificación se refiere a técnicas de encapsulamiento que no necesariamente involucran una interacción química entre el contaminante y los aditivos solidificantes. La estabilización limita la solubilidad o movilidad del contaminante, generalmente por la adición de cemento, cal o polímeros, que aseguren que los constituyentes peligrosos se mantengan en su forma menos móvil o tóxica. (Sellers 1999, EPA 2001)
• Remediación electrocinética: Es un método que aprovecha las propiedades conductivas del suelo tendiendo a separar y extraer contaminantes orgánicos e inorgánicos. La generación de una corriente eléctrica de baja intensidad (50 a 150 V) entre dos electrodos, permite remover las especies iónicas cargadas. La diferencia de potencial produce un flujo de los contaminantes en medio acuoso que sigue las líneas del campo eléctrico. Los iones metálicos migran hacia el cátodo; mientras que los aniones se mueven hacia el ánodo (EPA 2001).
• Deshalogenación química: Involucra reacciones de oxidación-reducción (redox) que transforman químicamente compuestos tóxicos o peligrosos en menos tóxicos, más estables, menos móviles o inertes.
• Skimmers (“desnatadores”): Se basa en instrumentos colectores de hidrocarburo situados en la interfase agua-hidrocarburo. Los pozos o zanjas deben posicionarse en forma transversal al sentido de circulación del flujo de manera de interceptar la fase contaminante (Figura 7).

Figura 7. Skimming instalado en una trinchera. Vista de sección.

Fuente: API, 1996

• Depresión del nivel freático-Bombeo y Tratamiento: Se produce la extracción de la fase líquida y/o gaseosa mediante la instalación de bombas que funcionan retirando el fluido sobre el cual se genera un tratamiento adecuado. La desventaja radica en la formación de emulsiones aumentando la concentración de la fase disuelta y la generación de residuos de hidrocarburo adsorbidos al material del suelo. Luego de que el nivel vuelve a su estado normal los contaminantes adsorbidos son disueltos, fenómeno que se denomina rebote (Figura 8).

Figura 8. Sistema de bomba simple para recuperación de LFLNA con depresión del nivel freático

Fuente: API, 1996

• Extracción de vapor/agua subterránea (VE-GE): Es una combinación de técnicas convencionales de depresión del nivel de agua con extracción de vapor del suelo. La finalidad es exponer la zona de la franja capilar mediante el bombeo de agua al mismo tiempo que se volatilizan los hidrocarburos residuales. (API, 1996).
• Extracción Multifase: Consiste en la utilización de bomba/s para eliminar agua subterránea contaminada, fase libre de hidrocarburo y vapor contenidos en el subsuelo. Se utiliza un alto caudal de vacío para remover simultáneamente los agentes contaminantes. Usualmente denominado dual phase debido a la extracción simultánea de la fase líquida (libre o disuelta) y la fase gaseosa (vapores ocluidos en subsuelo). Durante el proceso se deprime la napa freática alrededor de los pozos de succión, exponiendo un mayor porcentaje de la formación afectada. Posteriormente los contaminantes son extraídos en forma de vapor, lo que aumenta la remoción de forma más efectiva que otras técnicas de bombeo y tratamiento. Existen dos enfoques conceptuales distintos en base al posicionamiento vertical de la columna de la bomba. Se considera la implementación de un tubo de succión trifásico (vapor-hidrocarburo-agua) cuya profundidad es regulable (Figura 9), similar al bioslurping o dos tubos de succión, para recolectar en forma independiente vapor y la mezcla agua/hidrocarburo.

Figura 9. Esquema de un sistema de extracción trifásico.

Fuente: EPA-542-R-05-028,2006

• Bioslurping: Es similar a la configuración de una bomba única, con la diferencia que se ubica debajo de la interfase aire-hidrocarburo aumentando la biodegradación aeróbica como consecuencia del aumento de flujo de aire (Figura 10).

Figura 10. Sistema de Bioslurping.

Fuente: Kittel et.al, 1994

• Barreras Reactivas Permeables: Se basa en el pasaje de agua subterránea afectada por una barrera que tiene como objetivo interceptar y eliminar los contaminantes mediante procesos físicos, químicos o biológicos. La construcción de la barrera se produce de forma perpendicular al sentido del gradiente hidráulico.
• Barreras: Radica en el aislamiento de agua o suelos evitando que la afectación se transfiera lateralmente. Se emplean en sitios con contaminación localizada y consisten en trincheras que se excavan alrededor del área y se rellenan con distintos materiales.

Consideraciones finales

La selección de una tecnología de remediación para agua subterránea afectadas por hidrocarburo depende de un conjunto de variables ambientales, geológicas e hidrológicas del lugar; tipo, concentración y propiedades físico-químicas del contaminante y costos de los métodos.

En base a la información recopilada, se puede realizar una aproximación sobre aquellas tecnologías que se consideran prácticamente inadecuadas en zonas caracterizadas por la presencia de materiales de baja permeabilidad. A partir de un modelo conceptual de funcionamiento del agua subterránea, es posible formular la modelación de los procesos contaminantes que ocurren en el subsuelo. Se puede inferir que no existe una técnica que contemple todas las clases de contaminantes, bajo distintas condiciones, por lo cual en ocasiones deben combinarse diferentes sistemas.

Los métodos biológicos son benéficos ya que los contaminantes son generalmente destruidos, aunque requieren condiciones especiales para el crecimiento microbiano.

La aplicación de bioventing, debería ser considerada dependiendo del periodo de aplicación ya que la generación en microfracturas en arcillas expansivas, durante épocas de sequía, facilitan el pasaje del aire. 

El tratamiento a través de biopilas y landfarming presenta las mismas limitaciones relacionadas al tipo de material afectado. Una alternativa es la incorporación de composta con la finalidad de aumentar la permeabilidad de la mezcla y acelerar el proceso. 

La fitorremediación resulta una propuesta aplicable solamente en sitios donde el nivel afectado se encuentre próximo a la superficie. 

Los biorreactores son escasamente implementados debido a los costos e infraestructura necesaria.

Los métodos físico-químicos constituyen una propuesta a corto o mediano plazo. Se consideran poco eficientes aquellas que dependen directamente de la estructura de la matriz afectada. En tal sentido, la extracción de vapores, air sparping, presenta complicaciones relacionadas al alto contenido de finos en el suelo que producen la ineficiencia del sistema. 

La técnica de lavado del suelo resulta factible en sitios con presencia de hidrocarburos viscosos donde los surfactantes facilitarían el movimiento de los aceites pesados. Sin embargo, al igual que la mayoría de las técnicas que involucran la incorporación de fluidos al medio, solo se obtienen buenos resultados en suelos con escaso porcentaje de limo o arcilla, por lo que en sitios de baja permeabilidad reducirían directamente la eficiencia del sistema. 

El sistema de dual phase y el bioslurping representan una opción que permite la extracción de fase libre de hidrocarburo en ambientes como el de estudio. El vacío generado incrementa el área de captación y la recuperación total de fluidos, disminuyendo el tiempo de duración en comparación con el bombeo convencional. El conjunto de ventajas posiciona al método como uno de los más efectivos a ser aplicados en sitios con las características analizadas.

El bombeo y tratamiento se considera posibles teniendo en cuenta efectos secundarios tales como inversión de gradientes. 

Las barreras reactivas permeables están destinadas a sitios de elevada permeabilidad con marcado gradiente del flujo subterráneo por lo que se desestima su aplicación debido a que se trata de un lugar con gradientes topográficos bajos.

Los métodos térmicos mayormente requieren de procesos posteriores para tratar y/o evacuar los residuos sólidos, líquidos y vapores generados.

La aplicación de desorción térmica presenta limitaciones en zonas saturadas, suelos muy compactos o con permeabilidad variable lo que generaría inconvenientes durante su desarrollo.

La incineración y pirolisis son viables en sitios altamente afectados con hidrocarburos muy degradados.

En base a la investigación desarrollada se considera que ante un evento de derrame de hidrocarburos en ambientes de baja permeabilidad resulta conveniente la implementación de una metodología particular dependiendo de la etapa del proceso. En primera instancia es necesario extraer la fase libre mediante técnicas tales como extracción multifase (dual phase, bioslurping) y bombeo - tratamiento. En el caso de tratarse de productos viscosos la incorporación de agua o aire caliente constituyen una opción que facilitaría el proceso de transporte.

En segunda instancia se considera la remediación de compuestos residuales y gases ocluidos en los espacios porales mediante la implementación de técnicas de biorremeadición tales como biopilas o landfarming teniendo en cuenta la incorporación de materiales de composta que aumenten la eficacia del sistema.

La efectividad de una metodología radica en la diagramación de una adecuada modelación de los procesos que de lugar a un plan de contingencia donde se analicen todos los parámetros involucrados y se consideren varios escenarios posibles. La respuesta del sistema a un estimulo aplicado originará una serie de reacciones que deben tenerse en cuenta previamente con la finalidad de mitigar los efectos negativos. El monitoreo sistemático y la revisión periódica de la viabilidad del método permite determinar mejoras o modificaciones a fin de incrementar la capacidad y disminuir las limitaciones del diseño seleccionado. 

Referencias

• American Petroleun Institute. A Guide to the Assessment and Remediation of Unferground Petroleum Releases. Third Edition, API Publication 1628, Washigton, DC, 1996.
• Eweis, J.B., Ergas, S.J., Chang, D.P y Schroeder, E.D. 1998. Bioremediation Principles. McGraw-Hill International Editions. 296 pp. 
• Flores, N. y col. Utilización de lodos residuales en la restauración de suelos contaminados con hidrocarburos. VI Congreso Nacional de Ciencias Ambientales, Pachuca; México, 2001.
• Kittel, J.A., R.E. Hinchee, R. Hoeppel, and R. Miller, 1994. Bioslurping - vacuum enhanced free product recovery coupled with bioventing: A case study, Petroleum Hydrocarbons and Organic Chemicals in
• Groundwater: Prevention, Detection, and Remediation. 1994 NGWA Conference Proceedings, Houston, TX.
• Leahy, J. y R.R. Colwell. 1990. Microbial degradation of hydrocarbons in the environment.
• Newell, C., Acree, S. y Ross, R. (1995). Light nonaqueous phase liquids. EPA, Office of Research and Development, EPA/540/S-95/500.
• Riser-Roberts, E. (1998). Biodiation of petroleum contaminated soils. Lewis Publishers. 542 pp.
• Robert M. Cohen, James W. Mercer, Robert M. Greenwald, and Milovan S. Beljin. Ground Water Issue - Design Guidelines for Conventional Pump-and-Treat Systems. U.S. EPA/540/S-97/504. Solid Waste and
• Emergency Response, September 1997.
• Sellers, K. 1999. Fundamentals of hazardous waste site remediation. Lewis Publishers. 326 pp.
• U.S.EPA. Office of Solid Waste and Emergency Response Use of Monitored Natural Attenuation at Superfund, RCRA Corrective Action, and Underground Storage Tank Sites. Directive 9200.4-17P. Washington. DC., 1999a.
• US.EPA Office of Solid Waste and Emergency Response, 2001. Treatment Technologies for Site Cleanup: Annual Status Report. 10th Edition.
• US.EPA. 2006. Off-Gas Treatment Technologies for Soil Vapor Extraction Systems: State of the Practice. EPA-542-R-05-028.
• Van Deuren, J., Wang, Z. y Ledbetter, J. 1997. Remediation technologies screening matrix and reference Guide. 3ª Ed. Technology Innovation Office, EPA.

Consulta electrónica:

• Chapter II - Soil Vapor Extraction. [en línea] <www.epa.gov/oust/pubs/tum_ch2.pdf >
• Chapter III – Bioventing. [en línea] <www.epa.gov/oust/pubs/tum_ch3.pdf >
• Chapter IV - Biopiles. [En línea] <www.epa.gov/oust/pubs/tum_ch4.pdf>
• Chapter V - Landfarming. [En línea] <www.epa.gov/oust/pubs/tum_ch5.pdf>
• Chapter VII - Air Sparging. [en línea] <www.epa.gov/oust/pubs/tum_ch7.pdf >