La obstrucción biológica o biológica es la obstrucción del espacio poroso en el suelo por la biomasa microbiana; su cuerpo y sus subproductos como la sustancia polimérica extracelular (EPS). La biomasa microbiana bloquea el paso del agua en el espacio de los poros, formando un cierto espesor de capa impermeable en el suelo y reduce notablemente la tasa de infiltración del agua.
Se observa bioatasco bajo infiltración continua en estanques en diversas condiciones de campo, como estanques de recarga artificial , zanjas de percolación , canales de riego , sistema de tratamiento de aguas residuales y revestimiento de relleno sanitario . También afecta el flujo de agua subterránea en el acuífero , como la barrera reactiva permeable y la recuperación de petróleo mejorada por microbios . En la situación en la que se necesita la infiltración de agua a una velocidad adecuada, la bioabsorción puede ser problemática y se toman contramedidas como el secado regular del sistema. En algunos casos, se puede utilizar la obstrucción biológica para hacer una capa impermeable que minimice la tasa de infiltración.
Descripción general
Cambio de permeabilidad con el tiempo.
La bioabsorción se observa como la disminución de la tasa de infiltración. Se observó una disminución en la tasa de infiltración bajo infiltración en estanques en la década de 1940 para estudiar la infiltración de estanques de recarga artificial y la dispersión de agua en suelos agrícolas. [1] Cuando los suelos están continuamente sumergidos, la permeabilidad o la conductividad hidráulica saturada cambia en 3 etapas, lo que se explicó a continuación.
- La permeabilidad disminuye durante 10 a 20 días posiblemente debido a cambios físicos en la estructura del suelo.
- La permeabilidad aumenta debido a la disolución del aire atrapado en el suelo en el agua de filtración.
- La permeabilidad disminuye durante 2 a 4 semanas debido a la desintegración de los agregados y la obstrucción biológica de los poros del suelo con células microbianas y sus productos sintetizados, lodos o polisacáridos.
Las 3 etapas no son necesariamente distintas en cada condición de campo de bioabsorción; cuando la segunda etapa no está clara, la permeabilidad continúa disminuyendo.
Varios tipos de obstrucciones.
El cambio de permeabilidad con el tiempo se observa en diversas situaciones de campo. Dependiendo de las condiciones del campo, existen varias causas para el cambio en la conductividad hidráulica , que se resumen a continuación. [2]
- Causas físicas: Obstrucción física por sólidos en suspensión o cambios físicos de los suelos como la desintegración de la estructura de los agregados. La disolución del aire atrapado en el suelo en el agua de filtración es una causa física del aumento de la conductividad hidráulica.
- Causas químicas: Cambio en la concentración de electrolitos o en la proporción de adsorción de sodio en la fase acuosa, lo que provoca la dispersión e hinchamiento de las partículas de arcilla.
- Causas biológicas: por lo general, bioabsorción significa la primera de las siguientes, mientras que bioabsorción en un sentido más amplio significa todo lo siguiente.
- Bioabsorción por cuerpos celulares microbianos (como bacterias , [3] [4] [5] [6] algas [7] y hongos [8] [9] ) y sus subproductos sintetizados como la sustancia polimérica extracelular (EPS) [10] (también conocido como limo), que forman biopelículas [11] [12] [13] o agregación de microcolonias [14] en las partículas del suelo son causas biológicas directas de la disminución de la conductividad hidráulica.
- El atrapamiento de burbujas de gas como el metano [15] producido por microorganismos productores de metano obstruye los poros del suelo y contribuye a disminuir la conductividad hidráulica. Dado que el gas también es un subproducto microbiano, también se puede considerar bioabsorbente.
- Las bacterias de hierro estimulan la deposición de oxihidróxidos férricos que pueden obstruir los poros del suelo. [16] Esta es una causa biológica indirecta de disminución de la conductividad hidráulica.
Observación de campo
Bajo infiltración ponderada
Problema de campo y contramedida
Se observa bioatasco bajo infiltración continua en estanques en lugares como estanques de recarga artificial [17] y zanjas de percolación . [18] La reducción de la tasa de infiltración debido a la obstrucción biológica en la superficie de infiltración reduce la eficiencia de tales sistemas. Para minimizar los efectos de la obstrucción biológica, podría ser necesario un tratamiento previo del agua para reducir los sólidos en suspensión , los nutrientes y el carbono orgánico. El secado regular del sistema y la eliminación física de la capa de obstrucción también pueden ser contramedidas efectivas. Incluso si se opera con precaución de esta manera, es probable que se produzca una bioabsorción debido al crecimiento microbiológico en la superficie de infiltración.
Los campos de drenaje séptico también son susceptibles a la obstrucción biológica porque las aguas residuales ricas en nutrientes fluyen continuamente. [19] [20] El material bioabsorbente en el tanque séptico a veces se llama biomat. [21] El pretratamiento del agua por filtración o la reducción de la carga del sistema podría retrasar la falla del sistema por bioabsorción. El sistema de filtro de arena lento también sufre de obstrucción biológica. [22] Además de las contramedidas mencionadas anteriormente, se puede operar arena de limpieza o retrolavado para eliminar la biopelícula y recuperar la permeabilidad de la arena.
La bioabsorción en los ríos puede afectar la recarga del acuífero, especialmente en las regiones secas donde la pérdida de ríos es común. [23]
Beneficio
La bioabsorción puede tener un efecto positivo en determinados casos. Por ejemplo, en los estanques de estabilización de residuos lácteos utilizados para el tratamiento de aguas residuales de granjas lecheras, la bioabsorción sella eficazmente el fondo del estanque. [24] Se pueden inocular algas y bacterias para promover la obstrucción biológica en el canal de riego para el control de filtraciones. [25]
La bioabsorción también es beneficiosa en el revestimiento de vertederos , como los revestimientos de arcilla compactada. Los revestimientos de arcilla se aplican generalmente en vertederos para minimizar la contaminación por lixiviados del vertedero al medio ambiente del suelo circundante. La conductividad hidráulica de los revestimientos de arcilla se vuelve más baja que el valor original debido a la obstrucción biológica causada por microorganismos en el lixiviado y los espacios porosos en la arcilla. [26] [27] Actualmente se está estudiando la bioabsorción para su aplicación a la ingeniería geotécnica . [28]
En acuífero
Extracción de agua de pozo
La bioabsorción se puede observar cuando se extrae agua del acuífero (por debajo del nivel freático) a través de un pozo de agua . [29] Durante meses y años de funcionamiento continuo de los pozos de agua, pueden mostrar una reducción gradual en el rendimiento debido a la obstrucción biológica u otros mecanismos de obstrucción. [30]
Biorremediación
La formación de biopelículas es útil en la biorremediación [31] de la contaminación del agua subterránea biológicamente degradable . Se forma una barrera reactiva permeable [32] para contener el flujo de agua subterránea por bioabsorción y también para degradar la contaminación por microbios. [33] El flujo de contaminantes debe analizarse cuidadosamente porque la ruta de flujo preferencial en la barrera puede reducir la eficiencia de la remediación. [34]
Recuperación de petroleo
En la extracción de petróleo , se implementa una técnica de recuperación mejorada de petróleo para aumentar la cantidad de petróleo que se extraerá de un campo petrolífero. El agua inyectada desplaza el petróleo en el reservorio que se transporta a los pozos de recuperación. Como el yacimiento no es uniforme en permeabilidad, el agua inyectada tiende a atravesar la zona de alta permeabilidad y no a la zona donde queda el petróleo. En esta situación, se puede emplear la técnica de modificación del perfil bacteriano, [35] que inyecta bacterias en la zona de alta permeabilidad para promover la bioabsorción. Es un tipo de recuperación de aceite mejorada por microbios .
Ver también
- Biofilm
- Conductividad hidráulica
- Revestimiento de relleno sanitario
- Recuperación de aceite mejorada microbiana
- Tanque séptico
- Filtro de arena lento
Referencias
- ^ Allison, LE (1947). "Efecto de los microorganismos sobre la permeabilidad del suelo bajo inmersión prolongada". Ciencia del suelo . 63 (6): 439–450. Código Bibliográfico : 1947SoilS..63..439A . doi : 10.1097 / 00010694-194706000-00003 . S2CID 97693977 .
- ^ Baveye, P .; Vandevivere, P .; Hoyle, BL; DeLeo, PC; de Lozada, DS (2006). "Impacto ambiental y mecanismos de la obstrucción biológica de suelos saturados y materiales del acuífero" ( PDF ) . Revisiones críticas en ciencia y tecnología ambientales . 28 (2): 123-191. doi : 10.1080 / 10643389891254197 .
- ^ Gupta, RP; Swartzendruber, D. (1962). "Reducción asociada al flujo de la conductividad hidráulica de la arena de cuarzo". Revista de la Sociedad de Ciencias del Suelo de América . 26 (1): 6–10. Código bibliográfico : 1962SSASJ..26 .... 6G . doi : 10.2136 / sssaj1962.03615995002600010003x .
- ^ Frankenberger, WT; Troeh, FR; Dumenil, LC (1979). "Efectos bacterianos sobre la conductividad hidráulica de suelos". Revista de la Sociedad de Ciencias del Suelo de América . 43 (2): 333–338. Código Bibliográfico : 1979SSASJ..43..333F . doi : 10.2136 / sssaj1979.03615995004300020019x .
- ^ Vandevivere, P .; Baveye, P. (1992). "Reducción de la conductividad hidráulica saturada causada por bacterias aeróbicas en columnas de arena" ( PDF ) . Revista de la Sociedad de Ciencias del Suelo de América . 56 (1): 1–13. Código bibliográfico : 1992SSASJ..56 .... 1V . doi : 10.2136 / sssaj1992.03615995005600010001x .
- ^ Xia, L .; Zheng, X .; Shao, H .; Xin, J .; Sun, Z .; Wang, L. (2016). "Efectos de las células bacterianas y dos tipos de polímeros extracelulares sobre la bioabsorción de columnas de arena". Revista de hidrología . 535 : 293–300. Código bibliográfico : 2016JHyd..535..293X . doi : 10.1016 / j.jhydrol.2016.01.075 .
- ^ Gette-Bouvarot, M .; Mermillod-Blondin, F .; Angulo-Jaramillo, R .; Delolme, C .; Lemoine, D .; Lassabatere, L .; Loizeau, S .; Volatier, L. (2014). "La combinación de medidas hidráulicas y biológicas destaca la influencia clave de la biopelícula de algas en el rendimiento de la cuenca de infiltración" ( PDF ) . Ecohidrología . 7 (3): 950–964. doi : 10.1002 / eco.1421 .
- ^ Seki, K .; Miyazaki, T .; Nakano, M. (1996). "Reducción de la conductividad hidráulica por efectos microbianos" ( PDF ) . Transacciones de la Sociedad Japonesa de Ingeniería de Riego, Drenaje y Recuperación . 181 : 137-144. doi : 10.11408 / jsidre1965.1996.137 .
- ^ Seki, K .; Miyazaki, T .; Nakano, M. (1998). "Efecto de los microorganismos en la disminución de la conductividad hidráulica en la infiltración" (PDF) . Revista europea de ciencia del suelo . 49 (2): 231-236. doi : 10.1046 / j.1365-2389.1998.00152.x .
- ^ Jiang, Y .; Matsumoto, S. (1995). "Cambio en la microestructura del suelo obstruido en el tratamiento de aguas residuales del suelo bajo inmersión prolongada". Ciencia del suelo y nutrición vegetal . 41 (2): 207–213. doi : 10.1080 / 00380768.1995.10419577 .
- ^ Taylor, SW; Milly, PCD; Jaffé, PR (1990). "Crecimiento de biopelículas y los cambios relacionados en las propiedades físicas de un medio poroso: 2. Permeabilidad". Investigación de recursos hídricos . 26 (9): 2161–2169. Código Bibliográfico : 1990WRR .... 26.2161T . doi : 10.1029 / WR026i009p02161 .
- ^ Zhao, L .; Zhu, W .; Tong, W. (2009). "Procesos de obstrucción causados por el crecimiento de biopelículas y la acumulación de partículas orgánicas en humedales construidos de flujo vertical a escala de laboratorio" ( PDF ) . Revista de Ciencias Ambientales . 21 (6): 750–757. doi : 10.1016 / S1001-0742 (08) 62336-0 . PMID 19803078 .
- ^ Kim, J .; Choi, H .; Pachepsky, YA (2010). "Morfología de la biopelícula en relación con la obstrucción de los medios porosos" ( PDF ) . Investigación del agua . 44 (4): 1193–1201. doi : 10.1016 / j.watres.2009.05.049 . PMID 19604533 .
- ^ Seki, K .; Miyazaki, T. (2001). "Un modelo matemático para la obstrucción biológica de medios porosos uniformes" (PDF) . Investigación de recursos hídricos . 37 (12): 2995–2999. Código bibliográfico : 2001WRR .... 37.2995S . doi : 10.1029 / 2001WR000395 .
- ^ Reynolds, WD; Brown, DA; Mathur, SP; Overend, RP (1992). "Efecto de la acumulación de gas in situ sobre la conductividad hidráulica de la turba". Ciencia del suelo . 153 (5): 397–408. Código Bibliográfico : 1992SoilS.153..397R . doi : 10.1097 / 00010694-199205000-00007 . S2CID 93225879 .
- ^ Houot, S .; Berthelin, J. (1992). "Estudios submicroscópicos de depósitos de hierro que se producen en drenajes de campo: formación y evolución". Geoderma . 52 (3–4): 209–222. Código bibliográfico : 1992Geode..52..209H . doi : 10.1016 / 0016-7061 (92) 90037-8 .
- ^ Bouwer, H. (2002). "Recarga artificial de aguas subterráneas: hidrogeología e ingeniería" (PDF) . Revista de hidrogeología . 10 (1): 121-142. Código bibliográfico : 2002HydJ ... 10..121B . doi : 10.1007 / s10040-001-0182-4 . S2CID 38711629 . Archivado desde el original (PDF) el 23 de marzo de 2017 . Consultado el 22 de marzo de 2017 .
- ^ Furumai, H .; Jinadasa, HKPK; Murakami, M .; Nakajima, F .; Aryal, RK (2005). "Descripción del modelo de las funciones de almacenamiento e infiltración de las instalaciones de infiltración para el análisis de escorrentías urbanas mediante un modelo distribuido" ( PDF ) . Ciencia y Tecnología del Agua . 52 (5): 53–60. doi : 10.2166 / wst.2005.0108 . PMID 16248180 .
- ^ Kristiansen, R. (1981). "Zanjas de filtro de arena para la depuración de efluentes de fosas sépticas: I. El mecanismo de obstrucción y el entorno físico del suelo". Revista de Calidad Ambiental . 10 (3): 353–357. doi : 10.2134 / jeq1981.00472425001000030020x .
- ^ Nieć, J .; Spychała, M .; Zawadzki, P. (2016). "Nuevo enfoque para el modelado de la obstrucción del filtro de arena por el efluente de una fosa séptica" (PDF) . Revista de Ingeniería Ecológica . 17 (2): 97–107. doi : 10.12911 / 22998993/62296 .
- ^ "Septic Biomat: definidas, propiedades" . InspectAPedia . Consultado el 22 de marzo de 2017 .
- ^ Mauclaire, L .; Schürmann, A .; Thullner, M .; Gammeter, S .; Zeyer, J. (2004). "Filtración lenta de arena en una depuradora: parámetros biológicos responsables de la obstrucción". Journal of Water Supply: Investigación y Tecnología . 53 (2): 93–108. doi : 10.2166 / aqua.2004.0009 .
- ^ Recién llegado, YO; Hubbard, SS; Fleckenstein, JH; Maier, U .; Schmidt, C .; Thullner, M .; Ulrich, C .; lipo, N .; Rubin, Y. (2016). "Simulación de efectos de bioabsorción en la permeabilidad e infiltración dinámica del cauce". Investigación de recursos hídricos . 52 (4): 2883–2900. Código bibliográfico : 2016WRR .... 52.2883N . doi : 10.1002 / 2015WR018351 .
- ^ Davis, S .; Fairbanks, W .; Weisheit, H. (1973). "Estanques de residuos lácteos con eficacia autosellante". Transacciones de la ASAE . 16 (1): 69–71. doi : 10.13031 / 2013.37447 .
- ^ Ragusa, SR; de Zoysa, DS; Rengasamy, P. (1994). "El efecto de los microorganismos, la salinidad y la turbidez sobre la conductividad hidráulica del suelo de los canales de riego". Ciencia del riego . 15 (4): 159-166. doi : 10.1007 / BF00193683 . S2CID 35184810 .
- ^ Kamon, M .; Zhang, H .; Katsumi, T. (2002). "Efecto redox sobre la conductividad hidráulica del revestimiento de arcilla" ( PDF ) . Suelos y Cimentaciones . 42 (6): 79–91. doi : 10.3208 / sandf.42.6_79 .
- ^ Tang, Q .; Wang, HY; Chen, H .; Li, P .; Tang, XW; Katsumi, T. (2015). "Conductividad hidráulica a largo plazo de arcilla compactada impregnada de lixiviados de vertedero" ( PDF ) . Publicación especial de la Sociedad Geotécnica Japonesa . 2 (53): 1845–1848. doi : 10.3208 / jgssp.CHN-52 .
- ^ Ivanov, V .; Stabnikov, V. (2017). "Capítulo 8: Bioatascos y biogrouts". Biotecnología de la construcción: biogeoquímica, microbiología y biotecnología de materiales y procesos de construcción . Nueva York: Springer. págs. 139-178. ISBN 978-9811014444.
- ^ van Beek, CGEM; van der Kooij, D. (1982). "Bacterias reductoras de sulfato en el agua subterránea por obstrucción y no obstrucción de pozos poco profundos en la región fluvial de los países bajos". Agua subterránea . 20 (3): 298-302. doi : 10.1111 / j.1745-6584.1982.tb01350.x .
- ^ "Bien remediación y rehabilitación" . Groundwater Engineering Limited. Archivado desde el original el 22 de marzo de 2017 . Consultado el 22 de marzo de 2017 .
- ^ Lee, MD; Thomas, JM; Borden, RC; Bedient, PB; Ward, CH; Wilson, JT (1998). "Bio-restauración de acuíferos contaminados con compuestos orgánicos" ( PDF ) . Revisión crítica en control ambiental . 18 (1): 29–89. doi : 10.1080 / 10643388809388342 .
- ^ Naftz, D .; Morrison, SJ; Fuller, CC; Davis, JA (2002). Manual de remediación de aguas subterráneas utilizando barreras reactivas permeables: aplicaciones a radionucleidos, metales traza y nutrientes . Cambridge, Massachusetts: Prensa académica. ISBN 978-0125135634.
- ^ Komlos, J .; Cunningham, AB; Camper, AK; Sharp, RR (2004). "Barreras de biofilm para contener y degradar el tricloroetileno disuelto". Procesos ambientales . 23 (1): 69–77. doi : 10.1002 / ep.10003 .
- ^ Seki, K .; Thullner, M .; Hanada, J .; Miyazaki, T. (2006). "Bioabsorción moderada que conduce a rutas de flujo preferenciales en las biobarreras" (PDF) . Monitoreo y remediación de aguas subterráneas . 26 (3): 68–76. doi : 10.1111 / j.1745-6592.2006.00086.x .
- ^ Lappan, RE; Fogler, HS (1996). "Reducción de la permeabilidad de los medios porosos a partir del crecimiento in situ de leuconostoc mesenteroides y producción de dextrano". Biotecnología y Bioingeniería . 50 (1): 6–15. CiteSeerX 10.1.1.1017.5978 . doi : 10.1002 / (SICI) 1097-0290 (19960405) 50: 1 <6 :: AID-BIT2> 3.0.CO; 2-L . PMID 18626894 .