Una barrera reactiva permeable ( PRB ), también conocida como zona de tratamiento reactivo permeable (PRTZ), es una tecnología en desarrollo que ha sido reconocida como una tecnología rentable para la remediación de aguas subterráneas in situ (en el sitio) . Los PRB son barreras que permiten el paso de algunos materiales, pero no de todos. Una definición de PRB es una zona de tratamiento in situ que captura pasivamente una nube de contaminantes y elimina o descompone los contaminantes, liberando agua no contaminada. [1] Los métodos de eliminación principales incluyen: (1) sorción y precipitación , (2) reacción química y (3) reacciones que involucran mecanismos biológicos.[2]
Procesos reactivos
Hay una variedad de formas en que las membranas reactivas permeables se pueden usar para remediar el agua subterránea. Los dos procesos principales son la inmovilización (también conocido como secuestro) y la transformación.
Inmovilización
La inmovilización del contaminante puede ocurrir por absorción a los materiales de barrera o precipitación del estado disuelto. Los compuestos orgánicos tienden a sufrir sorción debido a la expulsión hidrófoba del agua circundante. Los metales, sin embargo, tienden a sorber por atracción electrostática o reacciones de complejación superficial. La sorción y la precipitación son potencialmente reversibles y, por lo tanto, pueden requerir la eliminación del medio reactivo y los productos acumulados para continuar con la remediación. [3]
Transformación
La transformación implica tomar el contaminante y transformarlo en una forma menos dañina o no tóxica. Uno de los principales beneficios de la transformación es que no requiere necesariamente la eliminación del medio reactivo (a menos que el medio reactivo deba reemplazarse debido a una menor eficacia o se produzca una obstrucción). La transformación suele adoptar la forma de una reacción redox irreversible . El medio puede suministrar directamente electrones para la reducción o estimular microorganismos para facilitar la transferencia de electrones. [3]
Materiales reactivos
Además, hay varios materiales diferentes que pueden usarse. Aquí están los más destacados:
Hierro Zerovalent
Zerovalent Iron fue el primer material que se utilizó en PRB para la remediación de aguas subterráneas . Sigue siendo el principal material utilizado en la construcción de estas barreras. [3] Además del hierro a escala convencional, también se puede utilizar el hierro a nanoescala .
Barreras biologicas
A veces, se colocará material en el suelo para estimular el crecimiento de microbios que faciliten la remediación de las aguas subterráneas . Muchos contaminantes ambientales están muy reducidos , por lo que la oxidación de estos contaminantes a compuestos inocuos es termodinámicamente viable. Otros contaminantes, como los disolventes clorados, se oxidan mucho y, como tales, se reducen fácilmente. Los microorganismos comúnmente facilitan tales reacciones redox , explotando la degradación de contaminantes como un medio para obtener energía y materiales para la síntesis celular. [3]
La biodegradación oxidativa necesita aceptores de electrones que los microbios utilizan para "respirar" los electrones eliminados de los contaminantes objetivo. Esta transferencia de electrones libera energía para impulsar las funciones de la vida microbiana. En condiciones aeróbicas , se utiliza oxígeno molecular para este propósito. Cuando el oxígeno no está presente, una variedad de otras moléculas pueden servir como aceptores de electrones . El oxígeno se utiliza preferentemente sobre los aceptores de electrones anaeróbicos porque el uso de oxígeno proporciona más energía y, como beneficio adicional, da como resultado tasas de oxidación de contaminantes más rápidas. Desafortunadamente, el oxígeno disponible a menudo no es suficiente para los contaminantes en áreas altamente contaminadas y, como resultado, deben utilizarse los aceptores de electrones anaeróbicos. Las barreras reactivas que contienen compuestos liberadores de oxígeno se han utilizado con éxito para estimular la biodegradación aeróbica de hidrocarburos monoaromáticos . [3]
Zeolitas modificadas con tensioactivos
Las arcillas, zeolitas y otros materiales naturales tienen una alta capacidad de intercambio catiónico. Lo hacen creando una carga negativa neta sustituyendo cationes de valencia baja (por ejemplo, Al 3+ ) con un catión de valencia superior (por ejemplo, Si 4+ ) dentro de la estructura mineral. [4] La adición de tensioactivos sorbidos puede cambiar la afinidad por los aniones y los compuestos orgánicos apolares. [3] Los tensioactivos que se han acumulado en la superficie crearán una capa orgánica hidrófoba que promueve la sorción de compuestos orgánicos no polares. Las zeolitas modificadas con tensioactivos (SMZ) son prometedoras para el tratamiento de contaminantes orgánicos no polares. Sin embargo, la baja permeabilidad de la arcilla significa que no se puede usar en PRB de flujo continuo, [3] pero se ha propuesto para su uso en muros de lodo , revestimientos de rellenos sanitarios y barreras de contención. [5] Zeolitas; sin embargo, tienen cavidades para mantener la conductividad hidráulica , lo que permite su uso en PRB.
Turba
La turba tiene una gran superficie específica (> 200 m 2 / g) y una alta porosidad . [6] Los metales son absorbidos por la turba a través de una reacción de intercambio iónico donde el metal desplaza un protón si el pH es bajo o un metal existente si el pH es alto del grupo de función aniónica. [7] Aniones, como CrO2−
4y MnO2−
4se eliminan con mayor eficacia a pH <3 debido a la superficie cargada positivamente creada por la adición de protones a los grupos funcionales de la superficie, mientras que los cationes, como el UO2+
2, Ni2+
, Cu2+
, se eliminan más eficazmente a valores de pH más altos. [8] La turba parece ser un material de intercambio iónico eficaz para eliminar metales pesados y algunos aniones. La eficacia de eliminación de los cationes se acerca al 100% a pH bajo, pero debe tenerse en cuenta la fuerte dependencia del pH y la concentración inicial de iones metálicos.
Modelado de aguas subterráneas
Modelar el flujo de agua subterránea es importante para optimizar el diseño de un PRB. Más importante aún, modelando el flujo, se puede determinar el ancho de la zona de captura hidráulica (HCZW) y el tiempo de residencia. El HCZW es el ancho de la zona de agua subterránea que pasará a través de la celda o compuerta reactiva (para configuraciones de embudo y compuerta). El tiempo de residencia es el tiempo que el agua subterránea contaminada pasará en la zona de tratamiento para su descontaminación. La contaminación fuera de la zona de captura o que no tenga un tiempo de residencia lo suficientemente largo no se descontaminará adecuadamente. El modelado de aguas subterráneas también se puede utilizar para lo siguiente:
- Determinando la ubicación del PRB
- Determinar una configuración adecuada
- Determinación del ancho de la celda reactiva (y embudo para embudo y compuerta)
- Evaluación del potencial de subdesbordamiento, desbordamiento o flujo a través de los acuíferos
- Proporcionar conocimiento de las fluctuaciones del flujo de agua subterránea (velocidad y dirección) para su uso en el diseño.
- Determinación de la selección de medios reactivos (basada en la conductividad hidráulica) para que coincida con la conductividad del acuífero
- Evaluación de posibilidades de derivación de flujo debido a la reducción de la porosidad
- Ayudar a determinar la ubicación de los pozos de seguimiento y las frecuencias de seguimiento [9]
Configuración
Barreras de hierro
La figura adjunta muestra dos enfoques para la aplicación de partículas de hierro para la remediación de aguas subterráneas : la figura A, un PRB convencional hecho con hierro granular de tamaño mm y la figura B, una "zona de tratamiento reactivo" formada por inyección secuencial de hierro de tamaño nanométrico para Forman zonas superpuestas de partículas absorbidas por los granos de material acuífero nativo. En A, el agua subterránea fluye a través de la barrera y se remedia. En B, las nanopartículas de hierro están representadas por puntos negros; las nanopartículas tienen poca movilidad en el medio poroso. Tenga en cuenta que la reacción solo ocurrirá cuando los contaminantes, ya sea disueltos en el agua subterránea o como DNAPL , entren en contacto con las superficies de hierro. [10]
Embudo y puerta
Los sistemas de embudo y compuerta se utilizan para canalizar la pluma contaminante hacia una compuerta que contiene el material reactivo. Los embudos son impermeables y el diseño más simple consiste en una sola puerta con paredes que se extienden desde ambos lados. La principal ventaja del sistema de embudo y compuerta es que se puede usar una región reactiva más pequeña para tratar la pluma, lo que resulta en un costo menor. Además, si es necesario reemplazar el medio reactivo, es mucho más fácil hacerlo debido a la pequeña puerta. [11]
Implementación
Los PRB generalmente se instalan cavando una zanja larga en el camino del flujo del agua subterránea contaminada. Luego, la zanja se llena con los materiales reactivos (generalmente hierro, carbono o piedra caliza). La arena se puede mezclar con el material reactivo para ayudar a permitir que el agua fluya a través de los materiales. A veces, habrá una pared que dirige el agua subterránea a las partes reactivas de la barrera. Una vez que la zanja se ha llenado con material reactivo, normalmente se utilizará tierra para cubrir el PRB, eliminando así la visibilidad de la superficie. [12]
Tablestacas y excavación
Se utilizaron tablestacas y excavaciones para la instalación de PRB anteriores. Este método implica contener el área de excavación usando tablestacas antes de excavar con una raíl . Este método puede ser lento (y por lo tanto costoso) y solo es viable para plumas de menos de 35 pies de profundidad. [13]
Zanjadora continua
La excavación continua de zanjas implica el uso de un sistema de excavadora de cadena de corte grande y luego el uso de la caja de la zanja y la tolva para rellenar continuamente la zanja con medios reactivos. La excavación continua de zanjas puede ser rápida y, por lo tanto, económica, pero solo se puede utilizar para zanjas de menos de 50 pies de profundidad. Además, la maquinaria utilizada para esta técnica no se puede utilizar de forma eficaz para suelos con grandes cantos rodados. [13]
Emplazamiento de Mendrel
La tecnología de Mendrel implica la conducción vertical de un largo haz hueco profundamente en el suelo. La viga se cubre a medida que se introduce y la cubierta se retira una vez que se ha colocado la viga. A continuación, el hueco se rellena con limaduras de hierro. Luego, el Mendrel se hace vibrar a medida que se retira, lo que permite que el hierro fluya hacia el fondo, formando el PRB. Luego, el Mendrel se mueve un ancho, el proceso se repite y se hace un PRB continuo. [13]
Fractura hidráulica
Este método utiliza hierro de grano fino inyectado en fracturas debajo de la superficie que se crearon mediante aplicaciones controladas de alta presión. Chorros de agua limpian una zona que luego se llena con goma guar y hierro. La goma guar mantiene el hierro en su lugar antes de degradarse, dejando una zona permeable de hierro (el PRB). [13]
Mezcla profunda de suelo
La mezcla profunda del suelo agrega hierro al suelo nativo y lo mezcla con barrenas grandes . Este proceso crea una serie de zonas de tratamiento columnar que forman un PRB cuando se alinean. Este método puede tratar penachos a una profundidad de 100 pies, pero la zona de tratamiento es relativamente baja en proporción de hierro. [13]
Evaluación del desempeño
El componente clave para evaluar el éxito de un PRB es si elimina satisfactoriamente los contaminantes. Esto se puede hacer monitoreando los niveles en el agua inmediatamente aguas abajo del PRB. Si los niveles están por debajo de los niveles máximos de contaminantes, entonces el PRB ha cumplido su función.
Falla
Al analizar los PRB, se ha hecho hincapié en las pérdidas de reactividad y permeabilidad en el pozo reactivo; sin embargo, caracterización hidráulica defectuosa de las pocas fallas de PRB que se han reportado. Potencial de oxidación-reducción , influente [pH] y concentraciones de influente de [alcalinidad], [nitrato NO-
3] y [cloruro Cl - ] son los predictores más fuertes de una posible disminución del rendimiento de los PRB. Es más probable que la reactividad de los medios, en lugar de una reducción de la permeabilidad, sea el factor que limita la longevidad del PRB de campo. Debido a que esta tecnología es relativamente nueva, todavía es difícil predecir la longevidad de los sitios. Dependiendo de los supuestos de los factores de control, las estimaciones de longevidad pueden diferir en un orden de magnitud (por ejemplo, 10 a 100 años). [14]
Estudios de caso
Una aplicación a escala de campo de PRB en la remediación de aguas subterráneas consistió en una zona de tratamiento formada por la excavación de un área aislada por tablestacas , rellenando el agujero con una mezcla de hierro granular y arena, y retirando la tablestaca para dejar un in situ , permeable, zona de tratamiento con hierro. Los contaminantes, etilenos clorados (PCE y TCE), se eliminaron, dejando, en su mayor parte, agua subterránea totalmente declorada ( se observó poco cloruro de vinilo ).
Sunnyvale, CA
La primera implementación a escala de campo de PRB fue en Sunnyvale, California , en el sitio de una planta de semiconductores que operaba anteriormente. En ese momento, la mejor tecnología de remediación disponible era la tecnología de bombeo y tratamiento . Los PRB presentaron una solución más rentable al problema en cuestión, pudiendo remediar pasivamente el agua subterránea. El metal granular se eligió como medio reactivo después de las pruebas de laboratorio con agua contaminada del sitio. Después de la instalación, los contaminantes se redujeron a los niveles objetivo. Como resultado, la maquinaria de bombeo y tratamiento se pudo quitar y el suelo sobre el terreno quedó libre para ser utilizado con fines comerciales. Los ahorros de usar el PRB en lugar de la bomba y el tratamiento permitieron pagar la instalación en aproximadamente tres años. [13]
Elizabeth City, Carolina del Norte
En 1996 se instaló un PRB de 46 m de largo, 7,3 m de profundidad y 0,6 m de espesor en una instalación de la Guardia Costera cerca de Elizabeth City, Carolina del Norte. El objetivo de este PRB era remediar una columna contaminante de tricloroetileno (TCE) y cromo hexavalente (Cr (VI)). El PRB tardó solo 6 horas en instalarse mediante una técnica de zanjado continuo, que simultáneamente eliminó el sedimento preexistente mientras se instalaba el medio reactivo (hierro granular). El PRB se configuró como una pared continua en lugar de una configuración de embudo y compuerta porque las simulaciones por computadora en 3D sugirieron que los dos tendrían la misma efectividad, pero los análisis de costos mostraron que la configuración continua sería más barata de instalar. El costo total de instalación fue de aproximadamente $ 1 millón, mientras que la Guardia Costera de EE. UU. Predice que en 20 años se ahorrarán $ 4 millones en comparación con un sistema de bombeo y tratamiento. [15]
Moffett Field, CA
Moffett Field, CA fue el hogar de un PRB a escala piloto iniciado por la Marina de los EE. UU. En 1995. El Moffett Field PRB usó un diseño de embudo y compuerta, con el embudo compuesto de tablestacas de acero entrelazadas, mientras que la compuerta consistía en granulares de valencia cero. planchar. Los principales contaminantes fueron tricloroeteno (TCE), cis-1,2 dicloroeteno (cDCE) y percloroeteno (PCE). Se han utilizado datos de monitoreo trimestral, pruebas de trazadores y extracción de núcleos de células de hierro para determinar la efectividad del sitio. Desde el primer evento de muestreo en junio de 1996, las concentraciones de todos los compuestos clorados se han reducido a niveles no detectados o por debajo de los niveles máximos de contaminantes. [dieciséis]
Cañón de Fry, UT
El sitio de Fry Canyon fue seleccionado en 1996 como un sitio de demostración de campo para evaluar la capacidad de remoción de PRB para uranio . Se llevaron a cabo experimentos de laboratorio con tres materiales PRB potenciales (fosfato, hierro de valencia cero y hierro férrico) para determinar las eficiencias de eliminación de uranio y las propiedades hidrológicas. Se seleccionó un material PRB de cada clase para la demostración. Los materiales seleccionados tenían conductividad hidráulica satisfactoria, alta eficiencia de eliminación de U y alta resistencia a la compactación. Se utilizó un diseño de embudo y compuerta. Los embudos canalizaron el agua subterránea hacia las compuertas del PRB. Durante el primer año, el hierro de valencia cero había reducido la concentración de U en más del 99,9%, mientras que la cantidad eliminada tanto en el fosfato como en el hierro férrico excedía el 70% en la mayoría de las mediciones realizadas. Los mecanismos para eliminar el uranio son similares a los que se utilizan para eliminar otros contaminantes inorgánicos, lo que significa que este estudio tiene una amplia aplicabilidad. [17]
Estado de la tecnología
En 1994, los analistas estimaron que en los Estados Unidos los costos totales de limpieza de las aguas subterráneas ascendían a entre $ 500 mil millones y $ 1 billón. [18] Hasta aproximadamente el año 2000, la mayor parte de la remediación de aguas subterráneas se realizaba utilizando "tecnologías convencionales" (por ejemplo, sistemas de bombeo y tratamiento), que han demostrado ser costosas para cumplir con las normas de limpieza aplicables. [19]
Notas
- ^ Gillham, R .; Vogan, J .; Gui, L .; Duchene M .; Hijo J. (2010). Paredes de barrera de hierro para la remediación de solventes clorados. En: Stroo, HF; Ward, CH (eds.),Remediación in situ de penachos de disolventes clorados. Springer Science + Business Media, Nueva York, NY, p. 537. doi : 10.1007 / 978-1-4419-1401-9
- ^ Tratnyek, PG; MM Scherer; TJ Johnson; Matheson, LJ (2003). Barreras reactivas permeables de hierro y otros metales de valencia cero. En: Tarr MA (ed.), Métodos de degradación química para desechos y contaminantes; Aplicaciones ambientales e industriales. Ciencias ambientales y control de la contaminación, Marcel Dekker, Nueva York, págs. 371-421. doi : 10.1201 / 9780203912553.ch9
- ^ a b c d e f g Scherer, MM ; Richter, S .; Valentine, RL; Álvarez PJJ (2000). "Química y microbiología de barreras reactivas permeables para la limpieza de aguas subterráneas in situ ". Revisiones críticas en ciencia y tecnología ambientales. 30 (3): 363-411. doi : 10.1080 / 10643380091184219
- ^ Bohn, HL; McNeal, BL; O'Connor, GA (1985). Química del suelo. Wiley Interscience, John Wiley & Sons, Inc.
- ^ Sheng, G .; Xu, S .; Boyd, S. (1996). Mecanismo (s) que controlan la absorción de contaminantes orgánicos neutros por materia orgánica natural y derivada de tensioactivos. Ciencia y tecnología ambientales. 30 (5): 1553-1557. doi : 10.1021 / es9505208
- ^ McLellan, JK; Rock, CA (1988). Tratamiento previo de lixiviados de vertedero con turba para eliminar metales. Contaminación del agua, el aire y el suelo. 37 (1-2): 203-215. doi : 10.1007 / BF00226492
- ^ Crist, RH; Martin, JR; Chonko, J. (1996). Captación de metales en turba: un proceso de intercambio iónico. Ciencia y tecnología ambientales. 30 (8): 2456-2461. doi : 10.1021 / es950569d
- ^ Morrison, SJ; Spangler, RR (1992). Extracción de uranio y molibdeno de una solución acuosa: un estudio de materiales industriales para su uso en barreras químicas para la remediación de relaves de molinos de uranio. Ciencia y Tecnología Ambiental. 12 (3): 1922-1931. doi : 10.1021 / es00034a007
- ^ Fox, TC; Gupta, Neeraj. (1999). Modelización hidrogeológica de barreras reactivas permeables. Revista de materiales peligrosos . 68 (1-2): 19-39. doi : 10.1016 / S0304-3894 (99) 00030-8
- ^ Tratnyek, PG; Johnson, R. "Remediación con hierro metálico". Centro de Investigación de Aguas Subterráneas. Universidad de Ciencias y Salud de Oregon, 4 de febrero de 2005.
- ^ Sutherson, SS (1997). Paredes reactivas 'in situ'. En: Sutherson, SS (ed.), Ingeniería de rehabilitación: conceptos de diseño. CRC Press, Newtown, PA, págs. 187-213.
- ^ Estados Unidos de América. Agencia de Protección Ambiental. Oficina de Residuos Sólidos y Respuesta a Emergencias. Una guía ciudadana sobre barreras reactivas permeables. Agencia de Protección Ambiental, abril de 2001.
- ↑ a b c d e f Tratnyek, Paul G .; BA Balko; otros (2002). Metales en Remediación y Aprendizaje Ambiental (REAL). Un CD-ROM multimedia que enseña química a través de una historia de desarrollo de tecnología ambiental. Ver: Sitio web REAL Archivado el 20 de julio de 2011 en la Wayback Machine .
- ^ Demond, AH; Henderson, AD (2007). Rendimiento a largo plazo de las barreras reactivas permeables al hierro de valencia cero: una revisión crítica. Ciencias de la Ingeniería Ambiental. 24 (4): 401-423. doi : 10.1089 / ees.2006.0071 .
- ^ Bain, JG; Bennett, TA; Blowes, DW; Gillham, RW; Hanton-Fong, CJ; O'Hannesin, SF; Ptacek, CJ; Puls, RW (1999). Una barrera reactiva permeable in situ para el tratamiento de cromo hexavalente y tricloroetileno en aguas subterráneas: Volumen 1, Diseño e Instalación. Agencia de Protección Ambiental de EE. UU., EPA / 600 / R-99 / 095a.
- ^ Reeter, C .; Gavaskar, A .; Sass, B .; Gupta, N .; Hicks, J. (1998) Evaluación del desempeño de una barrera reactiva permeable a escala piloto en la antigua estación aérea naval Moffett Field, Mountain View, California: Volumen 1. [1]
- ^ Naftz, DL; Feltcorn, EM; Fuller, CC; Wilhelm, RG; Davis, JA; Morrison, SJ; Freethey, GW; Piana; MJ; Rowland, RC; Azul, JE (1997-1998). Demostración de campo de barreras reactivas permeables para eliminar el uranio disuelto del agua subterránea, Fry Canyon, Utah. EPA. [2]
- ^ Consejo Nacional de Investigación. 1994. Comité de Alternativas de Limpieza de Aguas Subterráneas. En: Alternativas para la limpieza de aguas subterráneas . Prensa de la Academia Nacional, Washington, DC.
- ^ Mackay, DM; Cherry, J. A. (1989). Contaminación de aguas subterráneas; Remediación de bombeo y tratamiento. Ciencia y Tecnología Ambiental. 23 (6): 630-636. doi : 10.1021 / es00064a001
enlaces externos
Puede encontrar información adicional sobre este tema en los siguientes sitios:
- Cuaderno PRB de Powell and Associates
- Equipo de acción PRB del Foro de desarrollo de tecnologías de remediación
- Mesa Redonda Federal de Tecnologías de Remediación
- Información de limpieza de sitios contaminados de la EPA de EE. UU.
- "Rubin" (red alemana PRB)
- Centro OHSU para la investigación de Grounwater, Zero-Valent Iron
También hay una variedad de empresas disponibles para implementar esta tecnología. Éstos son solo algunos de ellos:
- ETI
- Hepure