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Remediación
10.5. Barreras reactivas permeables
10.6. Bioremediación
10.6.1. El proceso
10.6.2. Bioremediación como un
concepto de remediación
Barreras reactivas permeables

Las barreras reactivas permeables son una metodología in situ para la
remediación de agua contaminada.

Estas barrera no son barreras físicas para el flujo. Son barreras con
material capaz de reaccionar con los contaminantes del agua
subterránea.

Para aumentar la eficiencia de la pared reactiva, esta puede ser
construida para que el agua subterránea converja con el medio
reactivo. El arreglo resultante es llamado la traza de convergencia y
barrera.
Figura 10.9. Representación diagramática de la traza de convergencia y barrera.

La barrera tiene compuestos que reaccionarán con los
contaminantes del agua subterránea, y los contaminantes son
reducidos para inhibirlos o inmovilizarlos.

Estos compuestos pueden ser orgánicos o inorgánicos, se
consideraran dos compuestos para ilustrar el concepto de barrera:



Cromo hexavalente Cr6+ (compuesto inorgánico).
Triclorohetileno (compuesto orgánico).
Con base en algunos experimentos de laboratorio, bajo condiciones
de pH apropiadas, el hierro puede ser usado para reducir y remover
el Cr6+. Este concepto envuelve el uso de Fe0 para reducir el Cr6+ a
Cr3+.

Ciertos compuestos que involucran al Cr6+ aparentan ser
cancerigenos mientras que evidencia insuficiente es disponible para
establecer el carácter cancerigeno del Cr3+.

Se estima que el Cr6+ es 1000 veces más toxico que el Cr3+.

En la reducción de Cr6+ a Cr3+, el Fe0 es oxidado a Fe3+, como se
muestra en la ecuación:
Cr 6  Fe 0  Cr 3  Fe 3
1  x Fe  xCr  3H O  Cr Fe   OH   3H
1  x Fe  xCr  2H O  Fe  Cr OOH  3H
El compuesto (FeOOH) y (Fe(1-x)CrxOOH) son identificados como
sólidos precipitados en la reacción de oxidación.
3
3


3

2
x
2
1 x
1 x
3
3

x
Estos compuestos tiene solubilidad en agua cuando presentan pH de
7 a 10 que generan soluciones acuosas con concentraciones de Cr3+
que están dentro de los niveles máximos permisibles.

Consideremos ahora el compuesto orgánico TCE, este compuesto
reacciona con el Fe.

Cuando el TCE esta en contacto con la superficie del metal, el
producto final de la reacción es tanto eteno y etano, que son
fácilmente biodegradables.

La descloración puede producirse a través de dos reacciones, las
cuales son :

Para entender como funciona el concepto de pared de
hierro de valencia cero tenemos que:





La pluma contaminante tiene dimensiones de 10,000 pies (3,048 m) de largo y
5000 pies (1,524 m) de ancho.
La puma continente tiene aceite, solventes, limpiadores y combustible de
aviones.
Los sedimentos consisten de una mezcla de arcillas, limos, arenas y gravas que
se extienden a una profundidad de 200 pies (60.96 m).
La barrera se extiende 50 pies (15.24 m)
El objetivo es reducir la concentración de TCE por debajo
de niveles máximos permisibles, los cuales son 5 ppm para
el TCE y 70 ppm para el cis-1,2-DCE.

La sección de grava mostrada
en la figura esta incorporada
para mejorar la distribución
del flujo en la celda.

Basados en los datos,
después de siete meses de
operación se observa que el
cambio en la concentración
disminuye
de
manera
logarítmica.
Figura 10.10. Diseño de pared de hierro en el Campo
Moffet en el norte de California cerca de San Francisco.
Bioremediación

La bioremediación es la utilización biológica para convertir
contaminantes en substancias inofensivas.

El agotamiento de contaminantes a partir de la actividad de
microorganismos es llamado biodegradación.

Esencialmente, el proceso de bioremediación es la utilización de
bacterias para cambiar la naturaleza química de los contaminantes.

Las bacterias consumen el contaminante para sobrevivir y
reproducirse.

La existencia de una población inicial de bacterias depende de
diversos factores.

Un factor importante es la disponibilidad de materia orgánica que es
la principal fuente de carbón para muchos microorganismos.

La disponibilidad de oxigeno es fundamental para el tener una
población microbiana diversa capaz de lograr una degradación
aeróbica.

En la zona vadosa estos tanto el aire como el agua coexisten,
mientras que en la zona saturada la disponibilidad de oxigeno es nula
y el agua contenida en el acuífero generalmente carece de oxigeno.

Las bacterias no se limitan al uso de oxigeno como un receptor de
electrones, en ausencia de este pueden consumir sulfatos SO42-,
nitratos NO3- y ciertos metales como el Fe3+ y Mn4+.

Una variante en la es tener una bacteria que utilice un químico
inorgánico como donador de e-.

Maier et. al., basándose en la capacidad del agua, la materia orgánica
y oxigeno las siguientes generalizaciones:




Biodegradación en suelo superficial  aeróbica.
Biodegradación en zona vadosa  aeróbica principalmente.
Biodegradación en zona saturada  aeróbica a poca profundidad.
Para las bacterias, los contaminantes son una fuente de carbón y
energía, esta energía se genera a través de las reacciones químicas.

Las bacterias generalmente componerse de enzimas que
transforman los contaminantes aún cuando la bacteria no
metaboliza el contaminante directamente, a este proceso se le
conoce como cometabolismo.

Un ejemplo de este proceso es la destrucción de hidrocarburos
clorinados por enzimas, producido por una bacteria metanotropica, por
la oxidación del metano.

Mientras que el metano es la fuente principal de comida para la
bacteria, y el hidrocarburo clorinado es la segunda fuente puesto que
no sustenta directamente el desarrollo de la bacteria.

También se pueden destruir compuestos químicamente tóxicos a
través de transformaciones químicas para compuestos poco nocivos.

Las bacterias pueden inducir el cambio en las propiedades del
compuesto, como por ejemplo la solubilidad.


El U6+ (soluble en agua) puede actuar como un receptor de e-, produciendo
U4+ que no es soluble y precipitándose.
La inmovilización del ión Cr6+ tóxico a través de la precipitación a Cr3+, el
cual puede precipitar en forma de cromo oxidado.

Las bacterias pueden también facilitar la destrucción de
contaminantes, especialmente compuestos orgánicos halogenados, a
través del proceso conocido como halogenación reductiva.

La bacteria cataliza una reacción donde un átomo de halógeno es
sustituido por un átomo de hidrogeno, este proceso se presenta en
ambientes anaeróbicos.

Para sobrevivir en la superficie, los microbios requieren nutrientes
para desarrollar células.

Una bacteria típica esta compuesta de 50% C, 14% N, 3% F, 2% K,
1% S, 0.2% Fe, y 0.5 de Ca, Mg y Cl.

El desarrollo de una célula puede ser restringida por la falta de
alguno de estos compuestos.

Después de introducir el concepto de moléculas orgánicas y sus
clasificaciones, los compuestos que pertenecen a este grupo son
hidrocarburos y sus derivados.

BTEX → componentes de la gasolina.





B: benceno
T: toluelo
E: etilbenceno
X: xileno
Las razones que hacen que estos compuestos fácilmente remediables:




Más solubles en agua que otros compuestos orgánicos y compuestos de
gasolinas.
Sirven como donadores de electrones primarios para muchas bacterias.
Son relativamente de rápida degradación.
Las bacterias se desarrollan rápidamente si hay gran cantidad de oxigeno.

El BTEX puede ser degradado en forma aeróbica o anaeróbica.
Tabla 10.4. Biodegradabilidad de los hidrocarburos y sus derivados
Componentes
Frecuencia de ocurrencia Estado de bioremediación
Gasolina (BTEX), combustible
Muy frecuente
Establecido
Hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAH’s)
Común
Emergente
Cerosoto
No frecuente
Emergente
Alcohol, cetonas, éteres, esteres
Común
Emergente

El catecol presenta un metabolismo de tipo aeróbico, donde:

R puede ser H, CH3, CH2CH3 y CH3 para el benceno, tolueno,
etilbenceno y xileno respectivamente.

Para el caso del benceno, la apertura del anillo aromático para el
radical por la enzima dioxigenasa sigue uno dos caminos (orto y
meta).

Para la forma orto presenta la nomenclatura CoA la cual denota una
coenzima A.

El acrónimo TCA significa ciclo ácido tricarboxilico, lo cual resulta
en una mineralización completa de CO2 y H2O.

La degradación anaeróbica es una importante forma de degradación
para el BTEX porque la demanda de oxigeno del microbio
regularmente excede el abastecimiento disponible.

La degradación anaeróbica del benceno y xileno no se conoce bien.

El tolueno y eletilbenceno han mostrado tener un intermediario
común el benzoil-CoA. Los catecoles resultantes de la degradación
biológica se unen subsecuentemente por dioxigenasa como se
mostró en el caso aeróbico anterior.

El anillo aromático de benzoil-CoA se reduce y transforma
subsecuentemente a acetil-CoA, un importante intermediario
metabólico en las células.

La habilidad de los organismos para metabolizar el xileno parece
estar limitado a unos cuantos tipos de organismos de bacterias
denitrificantes que usan este compuesto como un sustrato de
crecimiento. Las formas de degradación asociada son poco
entendidas.

Solventes clorinados. Los HC’s alifaticos clorinados (CAH’s) estas
entre los contaminantes que se encuietran más frecuentemente en el
suelo y el agua subterránea.

Estos CAH’s orgánicos estas construidos de la conversión natural de
los HC’s tales como el metano, etano o eteno a través de la
sustitución de uno o más átomos de H por átomos de Cl.

De forma alterna los compuestos clorinados pueden pasar a un
estado menos clorinado. Debido a su amplio usos como solventes,
CAH’s son:





Tetracloroeteno (PCE)
Tricoloroeteno (TCE)
Tretracloruro de carbono (CT)
Cloroformo (CF)
Cloruro de metileno (MC)

La biodegradación de los compuestos de CAH’s ocurren
principalmente a través de la oxidación y halogenación reductiva.

Sus contrapartes no clorinadas se degradan aeróbicamente, la
presencia de atomos de cloro inhiben la degradación aeróbica.

Los mecanismos directos tienenden a ocurrir más con compuestos
que estan menos clorinados.

Compuestos más clorinados, los cuales proveen de una energía
indirecta a los organismos y son dependientes del cometabolismo
para su degradación, son degradados relativamente despacio.

Los sistemas que han sido efectivos en el cometabolismo de los
HC’s clorinados incluyen la enzima de metano monooxigenasa
producida por una bacteria metanotropica usando sustratos tales
como metano o formol y tolueno dioxigenasa producido por una
bacteria desarrollada en el tolueno.

La transformación aeróbica del TCE a través de la oxidación
cometabólica convierte el TCE a un intermediario TCE epóxido por
una enzima de metano monooxigenasa.

El epóxido resultante se disuelve espontáneamente en agua a un diol
TCE. El diol TCE se colapsa de a acuerdo a dos posibles formas de
reacción. Bajo condiciones ácidas el diol TCE forma un ácido
glioxilico.

De forma alterna, bajo condiciones básicas el diol TCE forma
formol con la liberación una molécula de CO.

Un segundo mecanismo de biodegradación para HC’s clorinados
involucra la dehhalogenación reductiva.

La dehalogenación reductiva se da en condiciones anaeróbicas.

Este proceso es eficiente cuando el número de sustituciones de
halógeno es alto.

Un problema en el uso de biodegradación anaeróbica es que en la
biodegradación total de alifáticos altamente halogenados bajo
condiciones anaeróbicas, no se consuma y sus derivados pueden ser
más tóxicos que el TCE.

La determinación de si una biodegradación aeróbica o anaeróbica
será efectiva es una función de la historia del sitio.

Los microorganismos asociados con una pluma contaminante usará
el electrón receptor que genera la mayoría de la energía relativa de
otros electrones receptores.

Una vez que el receptor optimo es consumido, otro receptor que
genera menos energía será utilizado y el resultado es una jerarquía de
zonas e aguas subterránea que refleja la historia de la pluma.

En la figura 10.11 se muestra un diagrama de la evolución de la
pluma de petróleo localizada en un acuífero inicialmente aeróbico.

El primer limite esta caracterizada por un ambiente rico en oxigeno,
sin embargo cerca de la zona fuente, el oxigeno ha sido consumido y
existe un ambiente anaeróbico que conduce a una biodegradación
del mismo tipo.

En esta sección hemos examinado solo la superficie del tema general
de bioremediación de hidrocarburos clorinados. Otras formas de
reacción son posibles, algunas de estas se resumen en las tablas 10.5
y 10.6.
Figura 10.11. Zona redox de una pluma de petróleo típica localizada en un
acuífero aeróbico.
Tabla 10.5. Oxidación aeróbica de contaminantes y productos
Mecanismo de
Componente
Condiciones
degradación
DCE, VC
Aeróbico
Oxidación aeróbica
DCE, VC, DCA, CA,
(directa)
Aeróbico
MC, CM
Aeróbico, donador de electrones
TCE
(fenoles, tolueno, benceno)
Oxidación aeróbica
Aeróbico, donador de electrones
TCE
(cometabolica)
(tolueno)
TCE, DCE, VC, TCA, Aeróbico donador de electrones
CF, MC
(metano, aromáticos, amoniacos)
Productos
CO2
CO2
CO2
No reportado
CO2
DCE: Dicloroetano, VC: Cloruro de vinilo, DCA: Dicloroetano, CA: Cloroetano, MC: Cloruro de metileno, CM: Clorometano, TCE: Tricloroetano, CF:
Cloroformo, CT: Tetracloruro de carbono
Tabla 10.6. Reducción anaeróbica de contaminantes y productos
Mecanismo de
Componente
Condiciones
degradación
Anaeróbico, donador de electrones
PCE, TCE, DCE,
(hidrógeno o fuente de hidrógeno
VC, DCA
fermentativas)
Anaeróbico, donador de electrones
Decloración reductiva
TCE
(lactato, metanol butirato, glutamato,
anaeróbica
1,2-propaneidol tolueno)
(dehalorespiración)
PCE, TCE, c-DCE,
Anaeróbico, donador de electrones
VC
(hidrogeno, propionato o lactato)
Anaeróbico, donador de electrones
PCE
(metanol)
Anaeróbico, receptor de electrones
PCE, TCE, DCE,
(nitratos, sulfatos) electrón donador
VC, DCA
(hidrógeno)
Decloración reductiva
Anaeróbico, receptor de electrones
anaeróbica
PCE, TCE, CT
(nitratos, sulfatos) electrón donador
(cometabolica)
(hidrógeno)
Anaeróbico, receptor de electrones
CT
Fe(III)
Productos
Eteno, etano
Eteno
No reportado
No reportado
Eteno, etano
Eteno, metano
CF, MC
DCE: Dicloroetano, VC: Cloruro de vinilo, DCA: Dicloroetano, CA: Cloroetano, MC: Cloruro de metileno, CM: Clorometano, TCE: Tricloroetano, CF:
Cloroformo, CT: Tetracloruro de carbono

Implementación. Los conceptos presentados antes puede ser
implementado en diferentes configuraciones.

En la figura 10.12 se ilustra la secuencia de eventos que ayudarán a
que cierto diseño se realice.

El punto de partida propuesto es la evaluación del sitio. Para esto se
debe de tomar en cuenta parámetros físicos, químicos y biológicos.

La parámetros físicos claves son aquellos que impactan procesos en
el subsuelo tales como el flujo y el transporte de masa, es decir,
porosidad, permeabilidad, grado de saturación y contenido orgánico
en el suelo.

El diseño del nutriente y el sistema receptor de electrones depende
de los parámetros del subsuelo.

Los parámetros químicos ayudan a definir el sitio y su potencial de
bioremediación.

La determinación de la distribución de concentración para el sitio
provee una línea base contra la cual el cambio en la distribución de
la concentración resultó usando una estrategia de bioremediación
implementada puede ser comparada.

La examinación de varias especies contaminantes presentes,
especialmente productos de la biodegradación de reacciones
químicas, proveen una visión de los mecanismos de degradación.

El conocimiento de niveles del substrato son una ayudan para
evaluando el potencial de introducir una colonia microbiana.

La concentración de electrones donadores como el tolueno o fenol,
ayudan a asegurar el éxito de la cometabolización espontánea de
contaminantes.

El contenido de oxigeno determinará donde las condiciones
aeróbicos o anaeróbica están presentes en un sitio.

La concentración de otros receptores de electrones como el oxigeno,
tales como el sulfato o nitratos, indican donde los receptores de
electrones son adecuado para la biodegradación aeróbica.

Los niveles de nutrientes indicaran donde el ambiente microbiano
requiere la adición de nutrientes.
Figura 10.12. Selección típica e implementación para una
bioremediación in situ