Tecnologías de Remediación

Tecnologías de Remediación

Oxidación Química - Tratamiento Térmico

Jonathan Castelan Martínez1, Juan Antonio Vanegas Terreros1. Universidad Nacional de México. 1Facultad de Ingeniería. División Ingeniería en Ciencias de la Tierra.

Resumen En este trabajo se presenta una revisión de dos principales tecnologías para el tratamiento de suelos y acuíferos contaminados, así como los datos que deben tomarse en cuenta para la selección de la tecnología más adecuada de acuerdo con las características del sitio a tratar, las propiedades del suelo y el tipo de contaminante. Después de una introducción, el documento enfatiza en los datos requeridos para la remediación de suelos contaminados, los factores a tener en cuenta para aplicar cierta tecnología de remediación (caracterizar el contaminante y el suelo). Posteriormente se presentan dos casos de estudios de contaminación en México, que seguramente también se presentan en otros países del mundo, de acuerdo con las actividades antropogénicas que se desarrollen allí. De las principales conclusiones se destaca que, antes de considerar el uso de una tecnología de remediación para un sitio en particular, es indispensable contar con información del sitio y llevar a cabo su caracterización, así como la del contaminante a tratar. Posteriormente, la tecnología puede elegirse con base en sus costos y a la disponibilidad de materiales y equipo para realizar el tratamiento.

1. Introducción Los suelos y las aguas subterráneas tienen problemáticas específicas, diferentes a las de las aguas superficiales, aunque con muchos puntos en común entre ambos: a menudo la contaminación presente en los suelos está precisamente asociada al agua que éstos contienen, o muestran determinadas relaciones con el mismo que hacen que haya que considerar el problema de la

descontaminación como un todo. Por otra parte, no hay que olvidar que a menudo las aguas subterráneas, contaminadas o no, no están en el suelo, sino en el subsuelo, afectando a acuíferos contenidos en rocas completamente diferentes a lo que llamamos suelo, y por tanto, con problemáticas distintas. El manejo de suelos contaminados se ha convertido en una actividad común. Los contaminantes penetran a los suelos por 1

derrames, fugas , roturas de tanques y tubería, y muchas veces por disposición de residuos a cielo abierto. En tales casos, se genera un cuestionamiento acerca del alcance y magnitud del riesgo que representa un suelo contaminado, así mismo surgen dudas acerca de las metas de limpieza que deben alcanzarse en caso de ser necesario remediar el suelo impactado. A este respecto, han sido establecidas algunas consideraciones: 1. Altas concentraciones de un contaminante en el suelo, no necesariamente representan efectos adversos. 2. El riesgo a la salud humana y al ambiente en un suelo contaminado está relacionado directamente con la liberación y disponibilidad del contaminante. 3. Conocer lo que se libera y la velocidad de liberación es tan importante como la concentración del contaminante del suelo. De acuerdo a la Ley General de Equilibrio, Ecológico y la Protección al Ambiente, la restauración se define como el ― Conjunto de actividades tendientes a la recuperación y restablecimiento de las condiciones propician la evolución y continuidad de los procesos naturales”. El tratar de recuperar la calidad original de un suelo, puede significar un excesivo costo y la aplicación de tecnologías y recursos humanos altamente calificados. Las principales estrategias que se utilizan de manera separada o conjugadas al remediar la mayoría de los sitios contaminados son: • •

Destrucción o alteración de los contaminantes Extracción o separación de los contaminantes

• •

Inmovilación de los contaminantes.(Estabilización) Aislamiento de la zona contaminada.

Tecnologías de remediación o tratamiento El término “tecnología de tratamiento” implica cualquier operación unitaria o serie de operaciones unitarias que altera la composición de una sustancia peligrosa o contaminante a través de acciones químicas, físicas o biológicas de manera que reduzcan la toxicidad, movilidad o volumen del material contaminado (EPA, 2001). Las tecnologías de remediación representan una alternativa a la disposición en tierra de desechos peligrosos que no han sido tratados, y sus capacidades o posibilidades de éxito, bajo las condiciones específicas de un sitio, pueden variar ampliamente. Como ya se mencionó, el uso de una tecnología de remediación en particular depende, además de los factores específicos del sitio y de las propiedades fisicoquímicas del contaminante, de su disponibilidad, de la fiabilidad demostrada o proyectada, de su estado de desarrollo (laboratorio, escala piloto o gran escala) y de su costo (Sellers, 1999). Técnicas de tratamiento in situ Las técnicas de tratamiento in situ son las que se aplican sin necesidad de trasladar el suelo o el agua subterránea afectados por el problema. Suelen ser de utilidad cuando el problema afecta a un volumen muy importante del suelo, que haga inviable su aislamiento y su tratamiento ex situ, o cuando éste supone un coste económico que lo hace inviable, ya que el tratamiento in situ suele implicar un menor coste económico. El tratamiento in situ puede ser de dos tipos: • Biológico • Físico-Químico 2

Las técnicas de remediación in situ de carácter biológico son dos: • •

Biorremediación Fitorremediación

Las técnicas de remediación in situ de carácter físico-químico incluyen las siguientes: • Atenuación natural controlada • Barreras reactivas permeables • Extracción con vapor y aireación del suelo • Flushing in situ • Tratamientos térmicos • Oxidación química • Fracturación LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS Descripción del método: 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). La mayoría de las tecnologías térmicas pueden también aplicarse in situ y ex situ.

Dentro de las tecnologías térmicas ex situ, principalmente se encuentran: • • •

Incineración Pirólisis Desorción térmica

Dos de las tecnologías que se emplean in situ es la EV mejorada por temperatura y la vitrificación. EVS TÉRMICAMENTE REFORZADO Definición EVS Térmicamente reforzado: La inyección de aire caliente / vapor o calentamiento eléctrico se utiliza para incrementar la movilidad de los compuestos volatíles y facilitar la extracción. El proceso incluye un sistema para manejar los gases extraidos. Principio del método: Extracción de vapores del suelo mejorada térmicamente. Es el procedimiento usual para arrastrar a los contaminantes. Para facilitar el arrastre de los gases contaminantes, en vez de inyectar aire desde la superficie del suelo lo que se hace es que se fuerza su recirculación excavando pozos que se encuentran conectados a un equipo de vacío. Figura 1.

Figura 1. Arrastre de vapor mediante vacío EVS.



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Se puede mejorar la extracción de vapores del suelo con la inyección de aire caliente o vapor en el suelo contaminado por medio de los pozos de inyección. El aire caliente o el vapor ayuda a "decaer" algunos compuestos menos volátiles del suelo. Se han realizado demostraciones en gran escala de extracción de vapores del suelo con inyección de vapor en varios lugares. Además del aire caliente o el vapor, otra mejora de la extracción de vapores del suelo es el uso de radiofrecuencias para calentar el suelo y vaporizar o volatilizar mejor los compuestos en suelos arcillosos y limosos. Se están realizando demostraciones del uso de radiofrecuencias. Aplicabilidad: La EVS a menudo es usada para remediar sitios contaminados por derrames o fugas de COVs (compuestos orgánicos volátiles) y algunas gasolinas; puede aplicarse en zonas insaturadas. Además, la EV puede facilitar e inducir otros procesos de remediación como la biodegradación de contaminantes poco volátiles. a) Contaminantes: La eficacia de la técnica dependerá de su habilidad para arrastrar a los contaminantes, lo que dependerá́ de un amplio conjunto de parámetros. • Estado del contaminantes en el suelo • Presión de Vapor • Solubilidad en el Agua • Constante de Henry • Coeficiente de adsorción • Degradabilidad • Peso • Estructura molecular • Polaridad



b) Condiciones del sitio: En cuanto a los parámetros del suelo que condicionan la eficacia del método SVE, es la porosidad el más importante pues va acondicionar la facilidad de circulación del aire y por tanto puede limitar la eficacia del arrastre de contaminantes. Los poros con aire representan las vías de circulación y por otra parte la abundancia de poros implica muy poca superficie para la adsorción. Figura 2. De lo que se acaba de exponer se deduce que el SVE funcionará bien en suelos porosos Un suelo poroso tiene del orden de un 50% de volumen de poros.

Figura 2. Circulación del contaminantes por la porosidad. Otra propiedad, condicionada por la anterior, es la permeabilidad al aire. El sistema SVE requiere permeabilidades al aire > 10-10 cm2. La textura va a influir en la porosidad y permeabilidad. Así́ valores altos los presenta los suelos francos y arenosos, mientras que los arcillosos son muy impermeables y no son aptos para la SVE. La estructura desarrolla agregados que quedan limitados por espacios porosos. Los suelos con un buen grado de desarrollo de la estructura son ideales para aplicar el sistema SVE, mientras que 4

los suelos de bajo grado de desarrollo estructural son medios masivos en los que el SVE no ofrece buenos rendimientos. Finalmente, la existencia de capas heterogéneas dentro de un suelo influye de una manera importante en la circulación del aire. La humedad del suelo es otro factor que condiciona el resultado de la SVE ya que directamente representa un pérdida de porosidad para el aire (el poro está ocupado por agua en vez de por aire) y por otro lado proporciona un medio (el agua) para que los contaminantes se disuelvan y queden en parte protegidos del arrastre (han de ser volatilizados para ello). Aunque influye en el poder de adsorción disminuyéndolo al aumentar la humedad y por tanto favoreciendo la desorción. Limitaciones. No es recomendable para la remoción de aceites pesados, metales, BPCs o dioxinas; la técnica solo es aplicable para compuestos volátiles; la humedad, contenido de materia orgánica y permeabilidad del suelo al aire, afectan la eficiencia del proceso; no es una tecnología adecuada para zonas saturadas; un alto contenido de partículas finas afectan la operación del sistema; la descarga de aire del sistema puede requerir tratamiento; los líquidos residuales deben tratarse o disponerse. Costos: Los costos de operación de la EVS se encuentran entre 10 y 50 USD/m3. VITRIFICACIÓN IN-SITU Definición vitrificación “in-situ”: Tecnología de remediación térmica que utiliza electrodos para aplicar energía electrica y así fundir el suelo contaminado, produciendo un vidrio y una

estructura cristalina con características de lixiviacion muy bajas. Principio del método: Esta técnica se basa en el calentamiento y posterior fusión del suelo a muy alta temperatura (1600-2000 ºC) utilizando una corriente eléctrica. La corriente se envía a dos electrodos que están introducidos según un diseño rectangular en la zona contaminada, provocando la fundición del suelo que queda entre ambos. A medida que el suelo se funde, los electrodos se van hundiendo, por lo que el suelo más profundo también se funde. Cuando se corta la eléctrica, el suelo fundido se enfría y vitrifica, es decir, se convierte en un bloque sólido de material parecido al vidrio. Los electrodos pasan a formar parte del bloque. Una vez vitrificado, el volumen original del suelo se reduce. Esto hace que la superficie del suelo en el área quede levemente deprimida. Este área se rellena con suelo limpio a fin de nivelar el suelo. Figura 3. Mediante esta tecnología se consiguen dos formas de descontaminación: • Los compuestos químicos inorgánicos (principalmente los metales pesados) queden atrapados en la masa vítrea formada. Se evita de esta forma que puedan ser lixiviados por la infiltración de agua de lluvia. • Los compuestos orgánicos se destruyen y volatilizan a la temperatura de aplicación. Se hace necesaria la instalación de un sistema de recogida y depuración de gases en superficie. A continuación se presenta un esquema de un procesos de vitrificación con un sistema de recuperación de los gases emitidos para su tratamiento: 5

Figura 3. Proceso básico de vitrificación. Aplicabilidad: La vitrificación es usada generalmente para inmovilizar la mayoría contaminantes inorgánicos. Sin embargo, se ha probado que el proceso también puede destruir o remover COVs y COSs y otros compuestos orgánicos como dioxinas y BPCs.

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a) Contaminante: • Concentración de metales cerca de los electrodos

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b) Condiciones del sitio: 1 Humedad del suelo. Antes de nada se deben secar los suelos húmedos para evitar la formación de vapor. La emisión de vapor puede causar salpicaduras en la superficie de material fundido a alta temperatura. Además, se pierde eficacia energética, ya que el calor generado se emplea en evaporar el agua y no en fundir el suelo.



Contenido en sales y ácidos. Los suelos ácidos con elevado contenido en sales van a presentar una elevada conductividad eléctrica, no ofreciendo resistencia al paso de la corriente, lo que va a dificultar su calentamiento. Porosidad. Suelos excesivamente porosos disminuyen la eficacia de la corriente eléctrica.

Composición del suelo. Un exceso de escombros, cascotes, etc. o de materia orgánica combustible representan una limitación a la aplicación de esta técnica. Es necesaria una cantidad suficiente de materiales vitrificantes. Limitaciones: Dentro de las limitaciones del proceso pueden incluirse: • Su aplicación, en general, representa un aumento

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significativo en el volumen del material original. El material solidificado no puede ser utilizado como suelo nuevamente y puede impedir el futuro uso del sitio. Para realizar las mezclas de suelo con aditivos, es necesario deshidratar el suelo y realizar la operación a temperaturas elevadas, limitando su aplicación a suelos contaminados con sustancias o elementos no volátiles. Sus costos son muy elevados debido a que es necesario disponer el suelo estabilizado/solidificado.

Costos: Los costos de operación de la vitrificación varían en función de los costos de energía eléctrica, humedad del sitio y profundidad a la que se realice el proceso. OXIDACIÓN QUÍMICA Descripción del método El tratamiento químico, también conocido como óxido-reducción química, es una tecnología innovadora que implica reacciones de óxido- reducción (redox), las cuales transforman los elementos potencialmente tóxicos en compuestos o elementos no peligrosos o menos riesgosos, reduciendo su toxicidad o su solubilidad y/o aumentando su estabilidad química. Cuando se requiere tratar contaminación por metales y/o metaloides, se busca cambiar el estado de valencia, ya que de éste depende la capacidad del metal para reaccionar con



otros contaminantes o compuestos presentes en el suelo y, por consiguiente, su precipitación; de esta manera, es posible disminuir la concentración biodisponible del elemento potencialmente tóxico en el suelo (US EPA 2001). Definición oxidación química: Consisten en la eliminación total o parcial de los contaminantes presentes en un suelo mediante la aplicación de agentes químicos. Como no es posible hacer llegar un flujo de tales agentes químicos descontaminantes a la zona afectada, es necesario recurrir a procesos de mezclado, o de inyección de los productos químicos en el suelo. A continuación se describen los procesos de oxidación química. Principio del método: La tecnología más empleada es la oxidación química, en la que se van a transformar compuestos susceptibles de ser oxidados (aldehídos, ácidos orgánicos, fenoles, cianuros, plaguicidas, compuestos organoclorados) en otros compuestos inocuos, como agua y dióxido de carbono. La técnica se basa simplemente en la introducción en el terreno de los oxidantes, a través de pozos a diversas alturas, sin que sea necesario bombear los productos de la oxidación. No obstante, se observa que se obtiene una mayor efectividad de la técnica si establece un sistema cerrado, reinyectando lo obtenido por el pozo de extracción, con ello se ayuda a que se mezcle mejor el oxidante con los productos que constituyen la contaminación, como se observa en la figura 4:

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Figura 4. Proceso de oxidación química. Los oxidantes más comúnmente empleados son: • Ozono (O3): el ozono puede oxidar los contaminantes directamente o por la formación de radicales hidroxilo (HO´). Junto con el períxido de hidrogeno (H2O2), las reacciones de oxidación que induce el ozono son las más eficaces en medios ácidos. La reacción de oxidación es de cinética de primer orden, lo que hace que sea sumamente rápida. Aunque su carácter gaseoso hace problemático su manejo. Debido a su alta reactividad e inestabilidad, se debe producir en puntos cercanos al lugar de tratamiento. Por otro lado, la descomposición in-situ del ozono puede conllevar una oxigenación beneficiosa que favorezca la bioestimulación. • Perióxido de hidrógeno (H2O2): al utilizar el perióxido de

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hidrógeno en forma líquida en combinación con el ión ferroso (Fe2+) se da lugar a lo que se conoce como reactivo fenton, que induce la formación de radicales hidroxilo (HO´), unos oxidantes muy fuertes no específicos que pueden degradar rápidamente gran variedad de compuestos orgánicos. Las reacciones son sumamente rápidas y siguen una cinética de segundo orden. Este proceso es muy efectivo bajo condiciones muy ácidas (pH = 24), y resulta ineficaz en condiciones moderadas o fuertemente alcalinas. Permanganato: se introduce en el suelo en forma líquida en disolución o en forma sólida combinado con el potasio (KMnO4) o el sodio (NaMnO4), y es más económico que los oxidantes anteriores. La estequiometría de reacción del

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permanganato en sistemas naturales es compleja debido a sus múltiples estados de valencia. Las reacciones de oxidación son algo más lentas que en el caso del ozono y el perióxido, y siguen una cinética de segundo orden. Dependiendo del pH del medio, la oxidación puede ser por transferencia directa de electrones o por generación de radicales. Las reacciones del permanganato son efectivas sobre un rango de pH de 3,5 a 12. Aplicabilidad: La oxidación química es una técnica muy adecuada para la eliminación de ciertos contaminantes orgánicos, sobre todo cuando éstos se encuentran a profundidades considerables, a las que otros métodos no pueden llegar. Buenos resultados con los derivados del petróleo. Contaminantes orgánicos, VOCs, SVOCs, compuestos orgánicos con comportamiento iónico, alfehídos, ácidos orgánicos, fenoles, cianuros, combustibles, pesticidads, herbicidas y plaguicidas organoclorados. El empleo de la oxidación química depende de varios factores: • • •

Dimensión y profundidad de la zona contaminada. Tipo de suelo y condiciones reinantes. Forma en que fluyen las aguas subterráneas contaminadas a través del suelo.

Limitaciones: Puede ocurrir una oxidación incompleta o formación de compuestos intermediarios, dependiendo del contaminante y el agente oxidante usado; la presencia de aceites y grasas disminuye la eficiencia y los costos se

incrementan para altas concentraciones de contaminantes. Costo: Los costos de remediación varían en función del tipo de suelo, superficie, profundidad y químicos seleccionados para la reacción; se calcula que estos oscilan entre 45 y 125 USD/m3, incluyendo un estudio químico. Referencias:

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