Biobarreras
Santiago Cardona Gallo
[email protected]
4255112
Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín
Facultad de Minas
Escuela de Geociencias y Medio Ambiente
Posgrado en Aprovechamiento de Recursos Hidráulicos
Mayo 2 y 3 de 2006
Esquema contaminador de suelos y acuíferos
Agua subterránea
tratada
Biobarrera
Fuente
Agua subterránea
contaminada
Modelo Conceptual
Modelo Conceptual
Procesos de transformación y transporte
Dinámica de la contaminación de suelos y acuíferos
Ciclo hidrológico y la contaminación
PROBLEMA COMPLEJO
Geoquímica
Adsorción
Diseño reactor
Transporte
contaminantes
Hidráulica
BRP
Diseño
BRP
Biodegradación
Oxidación
MODELO CONCEPTUAL
•BAJO GASTO ENERGETICO
•BAJO COSTO DE OPERACION Y
MANTENIMIENTO
•TRATA VARIOS TIPOS DE CONTAMINANTES
•LARGA DURACIÓN, SIMPLE Y PASIVO
•PRODUCTIVIDAD EN EL SITIO
•MODERADA INVERSIÓN INICIAL (-50% T Y B)
•NO GENERA EMISIONES O DESECHOS
•MEDIOS REACTIVOS DISPONIBLES Y
ECONÓMICOS
MODELO CONCEPTUAL
Medio Reactivo
% de aplicación
Hierro cero valente
45
Sulfuro de hidrógeno
2
Oxihidróxido férrico
4
Fijación geoquímic a
5
Silicatos de surfactantes
2
modificados
Fe cero valente y
2
materiales sulfurosos
Cal
5
Aserrín
2
Zeolitas
6
Microorganismos
2
Turba
6
Molusco Fosilizados
2
Otros
17
MEDIOS REACTIVOS APLICADOS
MODELO CONCEPTUAL
Contaminantes removidos
CONTAMINANTES
Compuestos Orgánicos
PCE
DCE
TCE
CFC-113
1,2,3, TCP
VOCs nohalógenados
Naftaleno
PCBs
Nitroaromáticos
Tolueno
DCA
Metano halogenado
Benceno
CHCl3
Otros orgánicos halogenados
TCA
VC
CCL4
%
12
13
26
2
2
2
2
2
2
2
2
2
3
4
4
5
6
9
Compuestos Inorgánicos
Arsénic o
Molibdeno
Plomo
Cromo
Cadmio
Nitrato
Níquel
Cobre
Vanadio
Selenio
Otros
%
9
9
11
31
9
7
3
3
3
4
11
Radionucleótidos
Cesio
Estroncio
Uranio
Tecnecio
%
6
19
50
25
Objetivo
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.
Justificación
•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.
Costo barrera reactiva permeable vs. Tratamiento y bombeo
Metodología
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 bacterial
Estudio MEB
Oxidación
Adsorción del diesel en suelo
Factor de retardo, R
Metodología
Diseño 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
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
enzimática, th, K,
RESULTADOS
Caracterización Suelo agrícola: cumple con las condiciones para el proceso.
Biodegradación:
t1/2
(d)
2
0.0721
9.61
0.920
70.39
1.76
16.88
0.0161
43.040
0.956
24.81
0.41
17.71
Co
(mg/L)
Porcentaje
Degradado
k
(d-1)
1
31,480
70.4
2
39,870
24.8
No. Corrida
%MR
N1/2
th
(d)
CAN
Crecimiento de bacterias
Estudio de barrido con microscopio electrónico (MEB)
A
Tasa de crecimiento bacterial
B
1.00E+09
UFC/g
1.00E+08
1.00E+07
1.00E+06
1.00E+05
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Tiempo (días)
Crecimiento bacterial en el suelo agrícola
Oxidación: K= 0.1128d-1 y t1/2=6.14 d
Comparación del suelo inalterado, foto A y al final
del proceso de biodegradación del día 18, foto B.
DISEÑO BIOBARRERA
x=0
x=L
dx
x
Sección
Qo
Qo
A
S
So
S+dSi
dS<0
Se
MODELO CONCEPTUALREACTOR FLUJO PISTÓN
DISEÑO BARRERA REACTIVA
REACTOR FLUJO PISTÓN:
REACCIÓN ENZIMÁTICA
xl
CINÉTICA DE PRIMER ORDEN:

x0
Adx
Qo
Se

dS
 kS
So

A
L 
Qo
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:
1
e
C n H m
Y
e
4
O2
Y
2Y x / s
2n 
n Y

Y
NH 3   x / s  CO 2  x / s C 5 H 7 O 2 N   e 

 H 2O
20
4 
20
5
e 
e
 2
Y
x/s
1
k
ln
So
Se
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
UFC/g
No. de columna
Suelo agrícola inalterado
6.400x105
80.5%
1.360x107
53.30%
1.044x107
Suelo estéril
No presento
O
P
E
R
A
C
I
Ó
N
D
E
A
C
O
L
B
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
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