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. 2 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 3 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 6