SISTEMA DE BARRERAS REACTIVAS PERMEABLES PARA TRATAR AGUA
SUBTERRANEA CONTAMINADA CON DIESEL
Santiago Alonso Cardona Gallo
Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México
Coordinación de Ingeniería Ambiental, 04510 Coyoacán, México, D.F. Tel. 56223335 ext. 04.
FAX: 56162164. E-mail: [email protected], [email protected]
Resumen
El propósito de este trabajo es describir los estudios que se están realizando en el Instituto de
Ingeniería de la UNAM y en otros países, además de presentar el tratamiento de las aguas
subterráneas contaminadas por medio del sistema de barreras reactivas permeables. Las tecnologías
de reciente desarrollo en los últimos 15 años para el tratamiento de las aguas subterráneas
contaminadas se han basado en el bombeo, tratamiento exterior y su posterior recarga. Esta
tecnología ha presentado varias limitaciones, ya que la disminución del contaminante con el tiempo
no se da y se llegan a presentar niveles más altos que los requeridos para el saneamiento del agua o
suelo y su reiterada contaminación, dando como resultado tiempos más largos de descontaminación,
lo cual eleva los costos estimados para su operación y mantenimiento. Sumado a la limitante
anterior se agregan los costos de bombeo y tratamiento por largos periodos, así esta tecnología no
es económicamente costeable y su descontaminación es incompleta.
La evaluación de ellas permitió concluir que estas tecnologías son onerosas para el saneamiento de
aguas subterráneas contaminadas, lo cual ha llevado a los organismos gubernamentales de los
Estados Unidos, por ejemplo: el Consejo Nacional de Investigación (NRC) a promover tecnologías
alternas para la descontaminación de mantos subterráneos. Una de las tecnologías innovadoras in
situ evaluadas, aceptadas desde el año 1996 e incentivadas por el NRC, la Agencia de Protección
Ambiental (EPA) y la Oficina de Innovación Tecnológica (TIO) de los Estados Unidos es el sistema
de barreras reactivas permeables (PBR) (también llamadas tratamiento de paredes o tratamiento
pasivo de paredes). Este sistema se construye in situ reduciendo drásticamente los costos de
tratamiento.
Su funcionamiento se basa en una pared impermeable tipo embudo, la cual recoge la pluma del
flujo contaminado y lo hace confluir al centro de la pared reactiva provista de un medio reactivo
permeable que disminuye la concentración del compuesto presente en el agua subterránea. Este
sistema de tratamiento ha presentado excelente resultados con diferentes contaminantes orgánicos e
inorgánicos en variados medios reactivos. El tratamiento de paredes involucra la construcción
permanente, semipermanente o reemplazo de unidades de la barrera en el camino d ela pluma
contaminante. Como el flujo presenta movimiento pasivo a través de la pared, el contaminante es
removido por procesos físicos, químicos o biológicos, incluyendo la precipitación, la sorción, la
oxido-reducción, la fijación o degradación.
Esos mecanismos simples de la barrera pueden contener catálisis a base de metales, agentes
quelante, nutrientes y oxigeno u otros agentes que son colocados en el sentido de la pluma para
prevenir la migración o inmediatamente aguas a bajo de la fuente contaminante para prevenir la
formación de la pluma. Las reacciones que tiene lugar en el sistema dependen de parámetros tales
como: pH, potencial de oxido-reducción, concentración y cinética. La tecnología tradicional de
bombeo y tratamiento requiere una fuente externa de energía dando unos costos de operación muy
altos. La EPA reporta que este sistema ahorra el 50% del costo de la tecnología aplicada de bombeo
1
y tratamiento. En los Estados Unidos de Norteamérica y Cánada se han aplicado en campo más de
doscientas barreras reactivas permeables. Se han usado diversos materiales para impermeabilizar
la pared tales como: concreto, hojas de acero incadas, arcillas impermeables. Los medios reactivos
utilizados en el sistemas se puden enumerar algunos: hierro cero valente en polvo o granular, el más
usado, microorganisoms del suelo, oxidación con oxigeno, peróxido, zeolita, organobentonitas,
bentonita, cal, aserrín, sedimento de acuíferos, etc. y se han tratado una diversidad de contaminantes
tales como: hidrocarburos halogenados, nitroarómaticos, policlorados, benceno, toluneo, TCA,
BTEX, TCE, PCA, naptalenoPBCs, Cr, U, Pb, Cd, Sr, V, Tc, Hg, Cs, Ni, Mo, nitroto, acidos de
minas, etc. En el Instituto de Ingeniería de la UNAM se esta llevando a cabo la aplicación de esta
tecnología para tratar agua contaminada con diesel de producción mexicana.
Se realizan estudios a nivel batch y columnas con barreras con medios reactivos biológicos y de
oxidación en serie. La biodegradación se realiza en condiciones aerobias o anaerobias y como
fuente de oxigeno se esta empleando el peróxido de hidrógeno y también para la oxidación. Para la
estimulación metabólica se están suministrando macro nutrientes, nitrógeno y fósforo. Los cuales
han reportado vidas medias de degradación y oxidación del diesel de:----- y -----. La aplicación de
este sistema en México se podrá proponer en las estaciones de servicio que vendan diesel, en
estaciones almacenadoras y de transferencia y además en derrames del hidrocarburo. Los sistemas
de barreras reactivas son una alternativa potencial a los sistemas de convencionales de bombeo y
tratamiento para la remediación de las aguas subterráneas contaminadas con solventes de cloro.
FUNCIONAMIENTO: el sistema de barrera permeable, consiste de una zona de material reactivo,
como el hierro granular (el más usado), el cual se instala en el trayecto de la pluma del cloro
disuelto. El sistema también puede componerse de una pared que alcanza diferentes longitudes y
puede ser recta u oblicua, como haciendo un embudo. El material reactivo se ubica en el centro de
la pared o del embudo, y allí es donde confluye el flujo del contaminante. La función de la pared en
recoger todo el contaminante y concentrarlo en el embudo para que ingrese a la celda reactiva. El
contaminante en el agua subterránea entra en contacto con el medio reactivo en el embudo y
degrada el contaminante a compuestos no tóxicos del cloro.
Figura 1. Esquema del sistema embudo-puerta
La principal ventaja del sistema radica en no necesitar bombeo o tratamiento superficial del
contaminante. La barrera reactiva actúa pasivamente después de la instalación y tiene el potencial
de tratar la pluma por varios años o décadas. Debido al tratamiento pasivo resulta dificultoso y
oneroso el monitoreo, y dependería de la vida del medio reactivo. Aunque la celda reactiva se puede
renovar o también reemplazarla periódicamente (aunque no es muy común).
La barrera se pude instalar continua o como un sistema embudo-puerta, en cual es el más eficiente.
En este sistema la pared captura el contaminante y lo conduce a la sección permeable (o puerta),
como lo presenta la figura 1. Esta forma de estructura permite un control sobre la zona reactiva y la
captura de la pluma, y facilita un mejor monitoreo del contaminante. Este sistema se ha utilizado
para una buena operación de los flujos heterogéneos y permite a la celda reactiva ubicarla en la
parte más permeable del acuífero. Las condiciones geotécnicas y límites de propiedad rigen las
forma de instalación del sistema embudo-puerta.
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También en los sitios donde la distribución de los contaminantes no es uniforme el sistema embudopuerta mejora la homogenización y concentración de los contaminantes y propiciando que entre en
la celda reactiva.
Los sistemas con múltiples puertas se pueden usar para tener un tiempo de residencia
suficientemente seguro del contaminante, para plumas relativamente anchas y de alta velocidad
subterránea.
Materiales reactivos: para la construcción de las barreras permeables se han usado: principalmente
el hierro de cero valencia, y en menor escala Zn0, Cu0, Al0, Mg0, Sn0. En relaciones mixtas de
metales: (Fe-Pb), (Fe-Ni) y (Fe-Cu). Espumas fabricadas de hierro con Cercana (producto
comercial). Hierro coloidal (1-3micras de diámetro). Dionita de sodio (NA2S2O2). Y los compuestos
de metales: Fe más compuestos, Na2S, FeS yFeS2.
Mejoramiento abiótico de degradación con metales: el más usado ha sido el hierro. La valencia
cero del metal en la celda reactiva corroída, es el resultado de la actividad electrónica que reduce los
compuesto clorados a productos potencialmente no tóxicos. El hierro granular es el único medio
reactivo ampliamente usado en aplicaciones de campo, porque los mecanismos de degradación de
solventes de cloro han sido extensamente estudiados con el hierro de valencia cero.
Para este sistema se debe controlar el oxígeno en el agua subterránea, antes de la entrada de esta a
la celda reactiva, porque oxida el hierro y lo precipita como hidróxido férrico o hidróxido de hierro.
Esta precipitación disminuye la permeabilidad de la celda y va en decremento de la tecnología,
aunque las aguas contaminadas no son altamente oxigenadas.
La degradación de compuestos clorados orgánicos por metales es un fenómeno de superficie y las
tasas de degradación son regidas por el área superficial especifica del medio reactivo. También el
CO2 disminuye la superficie especifica del hierro y lo presentan los hidrocarburos que tienen el
carburo y carbón de grafito.
El hierro reacciona con el agua en condiciones anaerobias pero más lentamente y es ventajoso para
el sistema ya que las reacciones pequeñas son usadas para elevar estas reacciones de un lado. El
hidrógeno gaseoso generado se cree que proviene de transformaciones biológicas e incrementa el
pH por la presencia OH- (pH=9) y este no afecta la tasa de degradación pero si forma precipitados
que cubren la superficie del hierro, reduciendo la reactividad potencial y la conductividad hidráulica
de la celda. El ácido carbónico y el bicarbonato presentes en aguas subterráneas naturales actúan
como buffer limitando el incremento del pH y formando precipitados de CaCO3, FeCO3 o
hidrocarbonatos de magnesio.
POTENCIAL BIOLÓGICO EN LA CELDA DE REACCIÓN
En los estudios realizados para la degradación de tricloroetileno se observaron, que estos se
llevaron a cabo sin la intervención de microorganismos. No obstante, el potencial para los procesos
mediante microorganismos en la celda reactiva puede ser presentado bajo ciertas condiciones. El
mejoramiento no significativo de la actividad microbiana ha sido advertido en la celda reactiva en
datos de instalaciones de campo.
Los mecanismos biológicos en las celdas reactivas necesitan de la presencia de enzimas y otras
bacterias para la reducción de compuestos a estados de oxidación bajos debido a la alta presencia de
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sustancias inhibidoras. Los procesos químicos y bioquímicos incrementan el pH afectando el
balance de iones carbonatos y bicarbonatos y esto provoca la precipitación de Ca 2+ disuelto como
calcita, obstruyendo la celda de reacción. Otra importante precipitación para controlar es la siderita
(FeCO3).
La reducción del sulfito disuelto es producida por bacterias reductoras de sulfato y como estas
bacterias son estrictamente anaerobias, no pueden llegar a aclimatarse dentro de la celda de
reacción. Esto explica porque los niveles de sulfato remanente son altos y presentan bajos los
niveles de los sulfitos en experimentos con columnas o barreras permeables que contiene hierro. Si
los sulfatos son reducidos a sulfitos, estos precipitaran como FeS y reducirán la permeabilidad de la
celda.
El efecto “biofouling” es el proceso microbiológico de oxidación del ión ferroso (FeII) y la
precipitación del hidróxido férrico (FeIII). Este ión que precipita ha sido relacionado con
obstrucciones en sistemas de tratamiento subterráneo y pueden causar problemas a las barreras
permeables.
Se han realizado estudios con influencia de la misma agua subterránea estéril y no estéril. Se
observaron iguales tasas de degradación de los compuestos orgánicos volátiles. Esto indica que los
efectos de los microorganismos para los VOC a escala de laboratorio son insignificantes. En un
trabajo de campo similar también se analizó la actividad microbiana, en las barreras instaladas
después de dos años se tomó un núcleo del medio reactivo y se observaron poblaciones
significativas de microbios oxidantes del hierro y solo se encontró cantidades pequeñas de
reductoras de sulfato.
En otro estudio se encontró biomasa en el gradiente positivo y negativo en las zonas de grava a lo
largo del pozo. Se halló 10 veces más biomasa en el gradiente negativo que en el positivo y en la
celda reactiva de composición diferente. Esto se explica por las condiciones geoquímicas que creo
la celda reactiva en el gradiente negativo y su notable producción de hidrógeno gaseosos desde el
hierro que soportaba la actividad de bacterias anaerobias obligadas. Se determinó que la biomasa
no se incremento como la de una superficie o suelo agrícola. Se consideraron como limitantes la
disponibilidad de nutrientes como el hidrógeno que limito el incremento en la biomasa en la zona
de gradiente positivo.
En general se observó que la actividad microbiana parece haber tenido un bajo efecto en la
realización de la celda reactiva en trabajos de campo y de laboratorio, concluyendo que no hay un
impacto significativo a largo plazo de la ejecución de esta tecnología debido a los procesos
biológicos.
INSTALACIÓN DE LAS BARRERAS PERMEABLES
Los factores que limitan y deciden que tipo de método aplicar de barrera son:
- Profundidad de colocación.
- Celda reactiva permeable que se necesita.
- Topografía del sitio.
- Acceso al sitio y espacio de trabajo.
- Condiciones geotécnicas.
- Características del suelo.
4
-
Requerimientos de disposición de los contaminantes de las trincheras.
Costos.
Técnicas comerciales disponibles de celdas reactivas
El arreglo de la celda depende de las condiciones hidrogeológicas del sitio. Para los acuíferos
heterogéneos el medio reactivo lo limita los lados del gradiente positivo o negativo por secciones
delgadas de grava. El trabajo ejercido por la grava, es aumentar la conductividad hidráulica
alrededor del medio reactivo y atraer uniformemente el flujo subterráneo dentro de la celda reactiva
a través del medio homogéneo. La grava también provee una colocación homogénea para el
monitoreo del afluente y el efluente desde la celda reactiva.
La celda debe quedar 60cm adicional por encima del nivel agua para controlar las fluctuaciones del
agua y la consolidación del medio reactivo, pero puede variar de sitio a sitio. El sistema embudo
puerta se coloca a 1.30m del acuitardo y la celda reactiva a 0.30m. para proteger los acuitardos se
coloca geotéxtil o un piso de concreto en la base de la celda reactiva.
Excavación convencional de trinchero: para la construcción de la trinchera se usa maquinaria
pesada como la retroexcavadora y brazo de cuchara. Para la estabilidad de las paredes se colocan
laminas de acero provisionales durante la construcción, o temporalmente para separa el medio
reactivo y la grava. Para prevenir la entrada de agua al medio reactivo se hincan laminas de acero.
Otra opción es utilizar biopolímeros en polvo que mantengan integra la pared de la construcción, o
la goma la cual se puede biodegradar más tarde y no afecta la permeabilidad. Un tercer método es
colocar una caja vacía durante la instalación permeable o impermeable, la cual se coloca antes de la
excavación. La retroexcavadora es más eficiente que la cuchara pero esta última puede alcanzar
60m de profundidad y la retroexcavadora 9.5m.
Cajón-base: es un cajón hueco usado para retener la excavación. Su diámetro es de 2.5m y se
implementa para plumas de contaminación anchas, con altos niveles de contaminación y alta
velocidad del agua subterránea. Este sistema se coloca con el sistema embudo puerta con múltiples
puertas-cajas. Luego de instalar el medio reactivo se extrae el cajón. El cajón a utilizar puede ser
acero prefabricado, el cual alcanza hasta 15.5m. Esta metodología es muy económica.
Colocación de bases de mandril: se crea un vacío vertical con un eje hueco de acero en el suelo para
luego reemplazarlo con el medio reactivo. Se introduce el eje en el suelo con un martillo vibrador.
Una vez el espacio esta vacío se llena con el medio reactivo y luego se extrae el mandril. Otra forma
es colocar geomembranas en conjunto con el medio reactivo. La desventaja es el tamaño de la celda
reactiva la cual es controlada por el tamaño del mandril, 2x5pulgadas. Se debe de colocar una serie
de espacios vacíos creados con el eje del mandril y formarlos con el medio reactivo. Se ha
recomendado colocar el material reactivo mayor de una pulgada de diámetro. Esta tecnología tiene
un costo por pie2 de U$7.
Trinchera continua: se ha usado en profundidades de 12.6m, con un ancho que oscila entre 0.305m
a 0.61m. Inmediatamente se hace la trinchera se llena de material reactivo y de material de alta
densidad como el polietileno. También se colocan paredes temporales para estabilizar la pared de la
excavación. La gran ventaja que presenta es su rápida construcción en serie, donde se ha construido
5
45.6m lineales en un día, con 0.61m de ancho y 7.9m de profundidad. Esta tecnología se ha
recomendado para lugares con poco espacio. El costo por pie2 es de U$5 a U$12 para la colocación,
y no incluye el transporte del medio reactivo.
Paredes disponibles comercialmente para el embudo:
-
Laminas de acero: se colocan con martillo vibrador y la junta es llenada con lechada
impermeable. Tiene una vida útil de 7 a 40 años. Presenta una longitud comercial de 12.60m y
una profundidad de 12.6m. este tipo de pared se dificultad su colocación en el sistema embudopuerta de puertas múltiples.
-
Paredes de suspensión: son suspensiones de bentonita con agua, cemento con bentonita. La
suspensión se instala inmediatamente después de la excavación. Con la suspensión de cemento
plástico se logra un sello entre la celda reactiva y la pared (embudo).
-
Suspensión de suelo-bentonita: para usar este tipo de material se debe tener suficiente espacio
para realizar la mezcla de los dos componentes, y este es su factor limitante. La suspensión se
aplica inmediatamente después de la excavación.
-
Suspensión de Cemento-bentonita: Para la falta de espacio se usa la suspensión de cemento con
bentonita, la cual forma una pared como de arcilla dura. Su uso es limitado por su expansividad
y las grandes cantidades de cemento que requiere. La otra limitante es que el suelo extraído no
es usado para la mezcla de la fabricación de la suspensión, lo cual incrementa los costos por su
disposición. La mezcla de cemento y bentonita no contiene muchos sólidos, además la pared
esta compuesta principalmente de agua, esto hace que presente alta permeabilidad y esta más
propensa a la penetración de los contaminantes. La ventaja que presenta esta suspensión es su
fácil instalación y transporte en áreas topográficas complejas.
-
Pared de suspensión de concreto plástico: se compone de tres paredes con incrementos de
resistencia química y baja permeabilidad, con un espesor externo de 1/8 pulgadas de bentonita.
Con 30 a 60 cm de espesor de suelo de bentonita, cemento-bentonita, o de concreto plástico por
medio de llenado. Con esta suspensión también se coloca la geomembrana 100-milHDPE con
una permeabilidad de 1x10-12cm/s. La geomembrana se coloca cuando se inicia la excavación y
debajo de la suspensión. Este tipo de paredes se ha usado en para profundidades de 15.20m y
longitudes de 30.40m. La ventaja que presenta es su baja permeabilidad y la alta resistencia a la
degradación, además de poder colocar el equipo de monitoreo en la geomembrana y también de
reparar secciones de la pared removiendo enteramente la geomembrana envuelta.
Referencias
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