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Descontaminación de Suelos. DESCONTAMINACIÓN DE SUELOS: TÉCNICAS BIOLÓGICAS. Francisco Martín Peinado. Departamento de Edafología y Química Agrícola Facultad de Ciencias. Universidad de Granada fjmartin@ugr.es. Técnicas biológicas. Descontaminación de Suelos. TÉCNICAS BIOLÓGICAS In situ

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Descontaminación de Suelos

DESCONTAMINACIÓN DE SUELOS:

TÉCNICAS BIOLÓGICAS

Francisco Martín Peinado

Departamento de Edafología y Química Agrícola

Facultad de Ciencias. Universidad de Granada

fjmartin@ugr.es

slide2

Técnicas biológicas

Descontaminación de Suelos

TÉCNICAS BIOLÓGICAS

In situ

- Bioventing

- Biorremediación

- Bioaumentación

- Fitorremediación

Ex situ

- Biopilas

- Compostaje

- Landfarming

- Lodos

slide3

Técnicas biológicas

Descontaminación de Suelos

TÉCNICAS BIOLÓGICAS

Estimulan el crecimiento de organismos en suelos contaminados, con el fin de degradarlos o extraerlos mediante la realización de sus actividades metabólicas.

Se basan en la adaptación de los organismos al medio y en proporcionar condiciones adecuadas para su desarrollo (nutrientes, humedad, pH, temperatura, etc.)

Se aplican a multitud de contaminantes orgánicos y a algunos contaminantes inorgánicos

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Técnicas biológicas

Alteración de estructura del suelo

Costes económicos

Tiempo de ejecución

Uniformidad de tratamiento

Verificación de su eficacia

Descontaminación de Suelos

VENTAJAS E INCONVENIENTES DE TÉCNICAS IN SITU Y EX SITU

In situ

NO

BAJOS

ALTO

DUDOSA

DIFÍCIL

Ex situ

SI

ALTOS

BAJO

SI

FÁCIL

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Técnicas biológicas

Bioventing

En ocasiones las técnicas biológicas se acompañan de otras técnicas físicas y químicas para completar el proceso de limpieza

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Técnicas biológicas

Descontaminación de Suelos

PARÁMETROS CON MAYOR INFLUENCIA

Condiciones aeróbicas: Favorecen la oxidación y la actividad biológica. Dependen de la textura del suelo, grado de saturación y condiciones redox.

Condiciones anaeróbicas: Puede degradar algunos contaminantes orgánicos (clorados) o impedir la oxidación de algunos minerales (sulfuros metálicos).

Agua: Medio de transporte de nutrientes y constituyentes orgánicos (absorción – secreción) al interior – exterior de los orgs.

Nutrientes: Se aplican para favorecer la actividad biológica (algunos metales pesados son también micronutrientes).

pH: Afecta la solubilidad y biodisponibilidad de muchos contaminantes.

Temperatura: Afecta la actividad biológica (problema en climas fríos). Se puede inducir calentamiento controlado (problema VOCs).

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Técnicas biológicas in situ

DESCRIPCIÓN

Descontaminación de Suelos

BIOVENTING

CONCEPTO

Inyección (o extracción) forzada de aire para incrementar la concentración de oxígeno y estimular la biodegradación. Utiliza bajas tasas de flujo (diferencia con Soil Vacuum Extraction (SVE))

Técnica a medio – largo plazo (meses – años)

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Técnicas biológicas in situ

Descontaminación de Suelos

BIOVENTING

APLICABILIDAD

- Hidrocarburos del petróleo, disolventes no clorados, algunos plaguicidas y otros orgánicos (fuels).

- Favorece la degradación de VOCs por la lenta migración hacia zonas biológicamente activas del suelo.

- Prometedora para estabilizar o eliminar contaminantes inorgánicos (cambio de estado de valencia, cambio en movilidad)

LIMITACIONES

- Zonas saturadas o de baja permeabilidad en el suelo.

- Posible emisión de vapores (control y monitoreo)

- Compuestos clorados (inducir ciclo anaerobio)

- Baja humedad = baja activ. biol. = baja biodegradación.

- Bajas temperaturas = ralentizan (no impiden) la remediación.

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Técnicas biológicas in situ

Descontaminación de Suelos

BIOVENTING

COSTES

10 - 70 $ (8 – 55 €) m3 suelo

- Tipo y concentración del contaminante, y permeabilidad del suelo.

- Espaciado y nº pozos.

- Tasa de bombeo.

- Tratamiento de gases emitidos.

- Periodicidad del monitoreo.

- Técnica cada vez más utilizada, en especial junto a SVE

- Air Force Center for Environmental Excellence (AFCEE), demostraciones de bioventing en 135 lugares,

http://www.afcee.brooks.af.mil/er/ert/bioventing.htm.

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Técnicas biológicas in situ

Descontaminación de Suelos

BIOVENTING

CASO PRÁCTICO

Localidad:Base Fuerzas Aéreas Ogden, Utah (USA)

Origen:Enero 1985, vertido de 102 m3 fuel de avión JP-4

Contaminantes:Hasta 10.200 mg/kg de hidroc. tot. petr. (TPH)

Área contaminada:1.625 m2 (6.600 m3 suelo)

Tratamiento:SVE seguido de BIOVENTING

Duración:15 meses

Resultado final:TPH < 6 mg/kg (nivel referencia = 38,1 mg /kg)

Coste:90 $ m3

Observaciones: Suelo muy favorable (arenoso, gravoso)

No se requirió incinerador catalítico de gases

Se extrajeron unos 95.700 kg de contaminante

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Técnicas biológicas in situ

Descontaminación de Suelos

BIORREMEDIACIÓN

CONCEPTO

Estimulación de la actividad de microorganismos del suelo (o inoculados) mediante la circulación de soluciones acuosas ricas en nutrientes o productos enmendantes y sautradas en oxígeno disuelto.

DESCRIPCIÓN

Técnica a largo plazo (años)

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Técnicas biológicas in situ

Descontaminación de Suelos

BIORREMEDIACIÓN

APLICABILIDAD

- PAHs, non-halog. SVOCs y BTEX (contaminantes no extraíbles por volatilidad (SVE))

- Degrada contaminantes orgánicos e inmoviliza los inorgánicos.

- Efectiva en contaminaciones residuales (bajas concentraciones) y tras medidas de extracción, limpieza o remoción.

Aeróbica:

Microorgs. + Contaminante = CO2 + H2O + Residuo celular

Anaeróbica:

Contaminantes orgs. = Metano (CO2 + H2O + S- + N2)

(a veces el residuo puede ser más tóxico; ej: TCE = cloruro de vinilo)

Podredumbres blancas (hongos):

Enzimas que degradan lignina. Aplicadas al TNT (laboratorio)

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Técnicas biológicas in situ

Descontaminación de Suelos

BIORREMEDIACIÓN

COSTES

30 - 100 $ (25 – 80 €) m3 suelo

- Propiedades del suelo

- Potencial de lixiviado del contaminante

- Reactividad química (tendencia a reacciones no biológicas)

- Biodegradabilidad del contaminante

LIMITACIONES

- Riesgo de contaminación de aguas subterráneas (infiltración)

- Bloqueo de pozos de inyección nutrientes (colonización de orgs.)

- Heterogeneidad del suelo (limita su efectividad)

- Altas concentraciones de contaminantes = toxicidad para orgs.

- Se requiere tratamiento del agua extraída.

slide14

Técnicas biológicas in situ

Los tratamientos electroquímicos pueden mejorar los resultados

Descontaminación de Suelos

BIOAUMENTACIÓN

CONCEPTO

Introducción en el suelo de organismos seleccionados, adaptados o genéticamente modificados para degradar contaminantes específicos.

DESCRIPCIÓN

Técnica a medio - largo plazo (meses - años)

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Técnicas biológicas in situ

Descontaminación de Suelos

BIOAUMENTACIÓN

APLICABILIDAD

- PCP, Lindano, DDT, 2,2-diclorofenol.

- Degrada contaminantes orgánicos e inmoviliza los inorgánicos.

- Descontaminación de campos de batalla (US Dep. Defense).

Organismos más usados:

Hongos: Fusarium oxysporium y Phanerochaete chyrysosoporium.

Bacterias: Pseudomonas cepacia y Pseudomonas putida.

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Técnicas biológicas in situ

Descontaminación de Suelos

BIOAUMENTACIÓN

COSTES

25 - 105 $ (20 – 80 €) m3 suelo

- Propiedades del suelo (textura, permeabilidad, pH, CO, humedad, nutrientes).

- Propiedades del contaminante (biodegradabilidad, reactividad química, solubilidad en agua).

LIMITACIONES

- Riesgo de contaminación de aguas subterráneas (infiltración)

- Texturas finas o suelos heterogéneos (limitan el contacto entre los microorganismos y el contaminante)

- Altas concentraciones de contaminantes = toxicidad para orgs.

- Poco efectiva para contaminantes inorgánicos.

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Técnicas biológicas in situ

Descontaminación de Suelos

FITORREMEDIACIÓN

CONCEPTO

Proceso que usa plantas para eliminar, transferir, estabilizar y destruir contaminantes tanto orgánicos como inorgánicos.

DESCRIPCIÓN

Técnica a largo plazo (años)

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Técnicas biológicas in situ

FITORREMEDIACIÓN

Descontaminación de Suelos

FITOEXTRACCIÓN (Fitoacumulación)

CONCEPTO

Absorción de contaminantes (inorgánicos o radionucléidos) por plantas y traslocación / acumulación en raíz, tallo y/o hojas.

Plantas hiperacumuladoras: > 1000 mg contaminante / kg suelo.

(algunas se usan con fines extractivos, minería (Ni, Cu))

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Técnicas biológicas in situ

Especie

Thlaspi caerulescens

Thlaspi calaminare

Haumaniastrum robertii

Haumaniastrum katangense

Ipomoea alpina

Thlaspi rotundifolum subsp.

Macadamia neutrophylla

Alyssum bertolonii

Berkheya coddii

Psychotria douarrei

Astragalus pattersoni

Iberis intermedia

Atriplex confertifolia

Pteris vittata

Elemento

Cd, Zn

Zn

Co

Cu

Cu

Pb

Mn

Ni

Ni

Ni

Se

Tl

U

As

Conc. (mg/kg)

3000, 10000

10000

10200

8356

12300

8200

55000

13400

17000

47500

6000

3070

100

22000

FITORREMEDIACIÓN

Descontaminación de Suelos

FITOEXTRACCIÓN (Fitoacumulación)

Biodisponibilidad:

Alta: Cd, Ni, Zn, As, Se, Cu

Moderada: Co, Mn, Fe

Baja: Pb, Cr, U (EDTA, Ac. Cítrico Δ biodisp.)

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Técnicas biológicas in situ

FITORREMEDIACIÓN

Descontaminación de Suelos

FITOEXTRACCIÓN (Fitoacumulación)

COSTES

15 - 40 $ (10 – 30 €) m3 suelo

LIMITACIONES

- Profundidad efectiva escasa (< 0,6 m), densidad enraizamiento.

- Lento crecimiento y biomasa escasa en muchos casos.

- Adaptación de las plantas al medio contaminado (tolerancia).

- Dificultad en contaminaciones polielementales (plantas distintas).

- Condiciones climáticas.

slide21

Técnicas biológicas in situ

FITORREMEDIACIÓN

Descontaminación de Suelos

FITODEGRADACIÓN (Fitotransformación)

CONCEPTO

Metabolismo o degradación enzimática de contaminantes orgánicos en el interior de la planta, transformándolos en no-tóxicos o disminuyendo su toxicidad (incluye la fitovolatilización).

Procesos:

- Almacenaje de contaminantes en la planta (lignificación).

- Degradación en CO2 y H2O.

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Técnicas biológicas in situ

FITORREMEDIACIÓN

Descontaminación de Suelos

FITODEGRADACIÓN (Fitotransformación)

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Técnicas biológicas in situ

FITORREMEDIACIÓN

Descontaminación de Suelos

FITODEGRADACIÓN (Fitotransformación)

COSTES

15 - 40 $ (10 – 30 €) m3 suelo

LIMITACIONES

- Profundidad efectiva escasa (< 0,6 m), densidad enraizamiento.

- Riesgo de entrada de contaminantes en la cadena trófica.

- Uso de enmendantes o agentes quelantes para favorecer la absorción de los contaminantes (lixiviados).

- Está en fase de investigación.

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Técnicas biológicas in situ

FITORREMEDIACIÓN

Descontaminación de Suelos

FITOESTABILIZACIÓN

CONCEPTO

Producción de compuestos químicos por las plantas para inmovilizar contaminantes en la interfase suelo – raíz.

Suele aplicarse en sitios moderadamente contaminados, cuando otros métodos de remediación fracasan.

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Técnicas biológicas in situ

FITORREMEDIACIÓN

Descontaminación de Suelos

FITOESTABILIZACIÓN

COSTES

15 - 40 $ (10 – 30 €) m3 suelo

LIMITACIONES

- Grado de contaminación del suelo.

- Condiciones climáticas adversas.

- Se deben controlar los lixiviados (solubilidad de contaminantes).

- No extrae ni degrada contaminantes, sólo los inmoviliza.

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Técnicas biológicas in situ

FITORREMEDIACIÓN

Descontaminación de Suelos

FITOESTIMULACIÓN

CONCEPTO

Degradación de contaminantes orgánicos (plaguicidas, PAHs y disolventes orgánicos) en el suelo por mejora de la actividad microbiana en la rizosfera (biodegradación por rizosfera mejorada o rizodegradación).

Mecanismos en la rizosfera:

- La exudación de compuestos mejora la activ. microbiana.

- Oxigenación del suelo (transformaciones aeróbicas)

- La biomasa radicular incrementa el CO disponible.

- Las micorrízas (hongos) degradan contaminantes orgánicos.

- Mejora del hábitat para poblaciones microbianas.

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Técnicas biológicas in situ

FITORREMEDIACIÓN

Descontaminación de Suelos

FITOESTIMULACIÓN

COSTES

10 – 150 (8 – 115 €) $ m3 suelo

LIMITACIONES

- Plantas tolerables y con denso sistema radicular.

- Efectiva sólo en sitios con bajo grado de contaminación.

- Está en fase de investigación.

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Técnicas biológicas in situ

FITORREMEDIACIÓN

Descontaminación de Suelos

VENTAJAS

- Bajo coste.

- Preserva el suelo (no destruye su estructura ni fertilidad).

- Evita dispersión y lavado de contaminantes.

- Inmoviliza o degrada contaminantes (orgánicos).

- Efectiva para cont. Inorgánicos.

- Aceptación social (ecológica).

INCONVENIENTES

- Lenta (años).

- Producción de biomasa baja (densidad y longitud raíz).

- Contaminación elevada = toxicidad de la planta.

- Tratamiento de plantas, riesgo a la cadena trófica.

- Condiciones climáticas adversas.

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Técnicas biológicas in situ

FITORREMEDIACIÓN

Descontaminación de Suelos

CASO PRÁCTICO

Localidad:Ensign-Bickford Company,Simsbury, Connecticut (USA)

Origen:1996-97, quema y detonaciones al aire libre (OB/OD)

Contaminantes:Hasta 4.000 mg/kg de Pb (media 635 mg/kg)

Área contaminada:Indeterminada

Tratamiento:Fitoextracción y fitoestabilización (mostaza india y girasol, tres tratamientos; en parcelas de experimentación)

Duración: 7 meses

Resultado final:Reducción en algunas áreas de 635 a 478 mg/kg

Coste:no especificado

Observaciones: Suelos fertilizados y encalados para ajustar pH

Se instaló un sistema de riego y abonado foliar

En una parcela, la mostaza india llegó a adsorber hasta 3252 mg/kg de Pb

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Técnicas biológicas ex situ

DESCRIPCIÓN

Descontaminación de Suelos

BIOPILAS

CONCEPTO

Mezcla de suelo contaminados y suelo enmendados, y confinamiento en montones estáticos sometidos a aireación (inyección o vacío) y recogida de gases y lixiviado para su tratamiento.

Técnica a corto plazo (semanas - meses)

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Técnicas biológicas ex situ

Descontaminación de Suelos

BIOPILAS

APLICABILIDAD

- Efectiva para VOCs no halogenados y combustibles; efectividad variable para algunos VOCs halogenados, SVOCs y plaguicidas.

- Incrementa la biodegradación favoreciendo las condiciones de humedad, temperatura, nutrientes, oxígeno y pH.

- Impermeabilización completa de la pila (acompañar con técnicas de recogida y tratamiento de gases y lixiviados).

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Técnicas biológicas ex situ

Descontaminación de Suelos

BIOPILAS

COSTES

130 - 260 $ (100 – 200 €) m3 suelo

LIMITACIONES

- Excavación del suelo = riesgo de liberación de VOCs.

- Test previos de biodegradación del contaminante (cálculo de tasas de aireación y nutrientes).

- Poco efectiva en compuestos halogenados y explosivos.

- Uniformidad cuestionable (proceso estático, no mezcla periódica).

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Técnicas biológicas ex situ

Descontaminación de Suelos

BIOPILAS

CASO PRÁCTICO

Localidad:U.S. Army Fort Greely, Alaska (USA)

Origen:Excavaciones en zonas de almacenaje (1991 – 1993)

Contaminantes:SVOCs, VOCs, Fuels, BTEX (hasta 3000 mg/kg gasolinas y 20,2 mg/kg BTEX)

Volumen suelo :15710 m3 filtrado y lavado, 13000 m3 tratado.

Tratamiento:Fase I: Filtrado y lavado; Fase II: Biopilas; Fase III: procesado de contaminantes.

Duración:3 años

Resultado final:Fuels < 100 mg/kg; BTEX < 10 mg/kg; (descenso medio del 85%) y > 95% en VOCs y SVOCs.

Coste:Fase I: 26 $ m3; Fase II: 39 $ m3; Fase III: 22 $ m3.

Observaciones: Tratamiento combinado y con mezcla periódica.

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Técnicas biológicas ex situ

DESCRIPCIÓN

Descontaminación de Suelos

COMPOSTAJE

CONCEPTO

Mezcla de suelo contaminado con materiales porosos y enmiendas orgánicas (serrín, paja, estiércol, restos vegetales) con el fin de promover la biodegradación (incremento de temperatura ).

Técnica a corto plazo (semanas - meses)

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Técnicas biológicas ex situ

Descontaminación de Suelos

COMPOSTAJE

APLICABILIDAD

- Explosivos y PAHs.

- Mantener condiciones de oxidación (aireación), humedad (irrigación) y temperatura (54 – 65 ºC)

- Métodos de aireación:

· Mezcla mecánica de montones (la más usada)

· Estática, inyección o bombeo en pilas.

· Agitación mecánica en contenedores.

- Controlar la emisión de VOCs y SVOCs.

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Técnicas biológicas ex situ

Descontaminación de Suelos

COMPOSTAJE

COSTES

150 – 180 – 220 $ (115 – 140 – 170 €) m3 suelo

Mezclamecánica – Estática – Agitación mecánica

LIMITACIONES

- Requiere espacios grandes para su aplicación.

- La excavación del suelo puede liberar VOCs.

- Incremento importante de volumen (mats. enmendantes añadidos).

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Técnicas biológicas ex situ

Descontaminación de Suelos

COMPOSTAJE

CASO PRÁCTICO

Localidad:Dubose Oil Product Co. Cantonment, Florida (USA)

Origen:Lugar de tratamiento y reciclaje residuos (1993 – 1994)

Contaminantes:SVOCs (PAH), VOCs, BTEX (hasta 38,3 mg/kg VOCs, 576 mg/kg PAHs y 160 mg/kg PCP)

Volumen suelo :35400 m3 excavados, 12000 m3 tratados.

Tratamiento:Compostaje, con recogida y tratamiento de lixiviados, inyección de aire e inoculación de nutrientes y humedad.

Duración: 1 año (cada tanda (1300 m3 máximo) hasta 30 días)

Resultado final:Limpieza de todos los contaminantes por debajo de los límites legales (PAH < 50 mg/kg; PCP < 37 mg/kg).

Coste:644 $ m3 (total de operaciones, incluido el compostaje).

Observaciones: Tiempo estimado del compostaje, 7 meses.

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Técnicas biológicas ex situ

DESCRIPCIÓN

Descontaminación de Suelos

LANDFARMING

CONCEPTO

Disposición del suelo contaminado en capas lineales y remoción periódica para favorecer la aireación, también se mejoran las condiciones para estimular la biodegradación (humedad, nutrientes, etc.)

Técnica a medio - largo plazo (meses - años)

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Técnicas biológicas ex situ

Descontaminación de Suelos

LANDFARMING

APLICABILIDAD

- Hidrocarburos del petróleo (no VOCs), Combustibles, PCP y algunos plaguicidas.

- Degrada, transforma e inmoviliza contaminantes.

- Recogida y tratamiento de escorrentías y lixiviados.

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Técnicas biológicas ex situ

Descontaminación de Suelos

LANDFARMING

COSTES

150 $ (115 €) m3 suelo

LIMITACIONES

- Requiere espacios grandes para su aplicación.

- La excavación del suelo puede liberar VOCs.

- Incremento importante de volumen (mats. enmendantes añadidos).

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Técnicas biológicas ex situ

Descontaminación de Suelos

LANDFARMING

CASO PRÁCTICO

Localidad:Wood Pole Storage Area Vancouver, Washington (USA)

Origen:Tratamiento y secado de residuos (desde 1939)

Contaminantes:HPAHs (High molecular weight) y PCP (hasta 1500 mg/kg HPAHs y 500 mg/kg PCP)

Volumen suelo :3030 m3 tratados.

Tratamiento:Cuatro series de tratamientos: Oxidación UV, peróxido, etanol (acondicionamiento y mejora) y nutrientes (biorremediación).

Duración: 15 meses (tratamiento medio por capa, 84 días)

Resultado final:Disminución media de la contaminación en un 80% (HPAH < 22 mg/kg; PCP < 21).

Coste:357 $ m3 (total de operaciones).

Observaciones: La solución nutritiva a base de harina de pescado, alimentaba los microorgs. pero éstos no degradaban contaminantes, se sustituyó por un fertilizante nitrogenado.

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Técnicas biológicas ex situ

DESCRIPCIÓN

Descontaminación de Suelos

LODOS

CONCEPTO

Mezcla de suelos contaminados con lodos, agua y aditivos, para favorecer la biodegradación al incrementar el contacto entre los microorganismos y el contaminante, dentro de un “bioreactor”.

Técnica a corto - medio plazo (semanas - meses)

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Técnicas biológicas ex situ

Descontaminación de Suelos

LODOS

APLICABILIDAD

- Explosivos, PAHs, plaguicidas (primer tratamiento de SVOCs y VOCs al excavar un suelo).

- Biorreactores secuenciales aeróbicos/anaeróbicos, mejoran la remediación de PCB, algunos SVOCs halogenados y explosivos.

- 1º Tamizar suelo; 2º Mezclar suelo con agua, arena y lodo; 3º Añadir oxígeno y nutrientes (a veces tb. microorgs.) 4º Filtrado y secado del suelo y tratamiento de resíduos.

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Técnicas biológicas ex situ

Descontaminación de Suelos

LODOS

COSTES

160 - 210 $ (125 - 165 €) m3 suelo

LIMITACIONES

- Tamizado previo del suelo (caro).

- Problemática en suelos heterogéneos y arcillosos.

- Filtrado y secado del suelo y tratamiento posterior de los contaminantes (caro).

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Técnicas biológicas

Descontaminación de Suelos

COMPARATIVA DE MÉTODOS

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Técnicas biológicas

Descontaminación de Suelos

COMPARATIVA DE MÉTODOS

Las más usadas:

In situ: Bioventing y Fitorremediación; Ex situ: Landfarming