Remediación Barreras reactivas permeables Bioremediación

Presentación del tema: "Remediación Barreras reactivas permeables Bioremediación"— Transcripción de la presentación:

1 Remediación 10.5. Barreras reactivas permeables 10.6. Bioremediación
El proceso Bioremediación como un concepto de remediación

2 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.

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4 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+.

5 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: El compuesto (FeOOH) y (Fe(1-x)CrxOOH) son identificados como sólidos precipitados en la reacción de oxidación. 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.

6 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 :

7 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.

8 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.

9 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.

10 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.

11 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.

12 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.

13 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.

14 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.

15 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.

16 El BTEX puede ser degradado en forma aeróbica o anaeróbica.
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.

17 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.

18 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.

19 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.

20 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.

21 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.

22 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.

23 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.

24 En la figura 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.

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27 Implementación. Los conceptos presentados antes puede ser implementado en diferentes configuraciones. En la figura 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.

28 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.

29 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.

30 Los niveles de nutrientes indicaran donde el ambiente microbiano requiere la adición de nutrientes.