3.3: Recuperación de suelos y remediación de tierras perturbadas
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M. Anne Naeth, P. Michael Rutherford y Allen M. Jobson
Objetivos de aprendizaje
Al concluir este capítulo, los alumnos podrán:
- Definir y diferenciar términos comunes como recuperación, remediación y restauración
- Describir los objetivos de recuperación y remediación
- Comprender cómo los conceptos fundamentales en los suelos se aplican a la recuperación y remediación
- Comprender los conceptos básicos de las estrategias comunes de remediación química, física y biológica
- Comprender los desafíos de la recuperación y la remediación y cómo abordarlos
- Comprender el uso beneficioso de los materiales de desecho y otras modificaciones en la recuperación y remediación
INTRODUCCIÓN
La recuperación del suelo y la remediación del suelo son componentes del proceso de recuperación de tierras que se lleva a cabo en el paisaje después de la perturbación de ecosistemas y sitios. Estos procesos son críticos para el éxito general de la recuperación de tierras y se construyen alrededor de la premisa de que podemos manipular y acelerar los procesos de desarrollo del suelo alterando propiedades específicas del suelo.
La recuperación de tierras es el proceso de conversión de tierras perturbadas o dañadas a sus usos anteriores u otros usos productivos. La recuperación abarca todos los componentes perturbados de un ecosistema, incluyendo pero no limitado a, suelos, hidrología, flora y fauna.
La restauración ecológica es el proceso de asistencia a la recuperación y manejo de la integridad ecológica; la integridad ecológica incluye un rango crítico de variabilidad en la biodiversidad, procesos y estructuras ecológicos, contexto regional e histórico, y prácticas culturales sustentables (Gann et al., 2019).
La remediación es el proceso de mejorar un sitio contaminado para prevenir, minimizar o mitigar los daños a la salud humana y/o al medio ambiente. La contaminación puede estar presente en suelos, aguas superficiales y/o aguas subterráneas. La remediación del suelo se refiere a una amplia gama de estrategias que eliminan, destruyen, contienen, transforman o reducen la disponibilidad de contaminantes del suelo para los humanos y otros receptores en el ambiente. Estas estrategias pueden realizarse in situ o ex situ.
La revegetación es el proceso de proporcionar a las tierras áridas o denudadas una cubierta vegetal que reemplaza o intenta replicar la cobertura del suelo antes de la perturbación. La revegetación puede ser parte de la estrategia de recuperación para recuperar o remediar suelos.
La recuperación de tierras es el término paraguas, siendo la restauración ecológica un tipo específico de recuperación. La remediación y la revegetación son componentes específicos del proceso general.
La recuperación y la remediación suelen estar asociadas con criterios desarrollados dentro de diversas jurisdicciones. En muchas jurisdicciones, la recuperación es requerida por los organismos reguladores. Normalmente estos requisitos son devolver la tierra a capacidad equivalente, desempeño de la tierra que se enfoca en el grado y naturaleza de limitación que imponen las características físicas de una unidad de tierra sobre un determinado uso, asumiendo un sistema de manejo específico.
DISTURBIOS QUE REQUIEREN RECUPERACIÓN DE TIERRAS
La perturbación se refiere a la variación en algún factor ecosistémico más allá de su rango normal de variación que resulta en un cambio Un cambio en un sistema que interfiere con su capacidad de mantener un rango máximo de tolerancias de por vida, se conoce como degradación. La destrucción se refiere a la degradación completa de un sistema hasta el punto de que tendría que ser reconstruido para ser útil, incluyendo el cambio de un ecosistema para el desarrollo de otro.
Las perturbaciones pueden ocurrir en el paisaje como resultado de actividades humanas, como la minería, la agricultura y la construcción de ciudades, pueblos, carreteras, ductos y líneas de transmisión eléctrica. La minería de superficie generalmente causa perturbaciones del paisaje más extensas que la minería subterránea. También pueden ocurrir disturbios por eventos naturales como inundaciones, incendios, huracanes y deslizamientos de tierra. La intensidad y las propiedades de la perturbación determinarán si la tierra está degradada y si se requiere intervención humana para mejorar la perturbación.
Las alteraciones del suelo cambian las propiedades físicas, químicas y/o biológicas. Por ejemplo, el pH del suelo puede ser alto o bajo en relación con el tolerado por las plantas, la fauna del suelo o los microorganismos. Los contaminantes salinos pueden aumentar la conductividad eléctrica del suelo. La mezcla física de horizontes puede ocurrir cuando se cavan trincheras o minas, cambiando la capacidad de retención de agua y nutrientes. El uso de equipos pesados puede compactar los suelos, aumentar la densidad aparente del suelo y la resistencia a la penetración, y reducir las tasas de infiltración y percolación. Muchos de estos cambios pueden tener graves impactos en el enraizamiento de las plantas y la función de la comunidad microbiana
A medida que la recuperación de tierras se ha convertido en un requisito de las empresas que buscan alterar el paisaje para operaciones de recursos naturales y/o cambios de uso del suelo, las perturbaciones se han minimizado y más controlado. De esta manera, la recuperación de tierras es más fácil de lograr y se reducen los impactos ambientales de la perturbación. El manejo del suelo es una de las consideraciones más importantes en las perturbaciones para la extracción de recursos naturales, y una que se puede manejar.
Las perturbaciones asociadas con las operaciones de petróleo y gas, como ductos y sitios de pozos, ahora tienen pautas de construcción estrictas en la mayoría de las jurisdicciones. Por ejemplo, el salvamento del suelo es obligatorio y requiere que los horizontes de suelo (capas) se eliminen y almacenen por separado. Tras la instalación de tuberías o el desmantelamiento del sitio del pozo, se requiere que los horizontes del suelo sean reemplazados en el orden adecuado.
La minería de superficie es considerada una de las perturbaciones humanas más intensivas en un paisaje debido a su extensión aérea y tamaño de la excavación. Aunque los suelos son despojados y requieren reemplazo para imitar la condición previa a la perturbación, a menudo hay escasez de suelo debido a que el material minado se elimina del sistema. Dado que las excavaciones son tan grandes, hay grandes interrupciones del régimen hidrológico. Las excavaciones a través de la sobrecarga de roca, minerales, carbón o betún que contienen mineral deseado crean grandes volúmenes de roca de desecho, materiales de suelo no consolidados y/o materiales de relaves. La minería de betún (arenas petrolíferas) resulta en estanques de sobrecarga y relaves. Estas intensas perturbaciones a menudo requieren la construcción de suelo y la creación de lagos de pozo final para acomodar la pérdida de suelo
RECUPERACIÓN DE SUELOS
La recuperación de suelo es parte del proceso general de recuperación de tierras y generalmente se aborda después de la remoción de la infraestructura, el recontorneado y la remediación de contaminantes, y antes de la revegetación (Figura 16.1). Un concepto importante en la recuperación de suelos es el uso final del suelo. Se pueden seguir diferentes criterios y procesos de recuperación dependiendo de cómo se utilizará el terreno después de la recuperación. Por ejemplo, los requisitos reglamentarios son más estrictos para las tierras agrícolas y las tierras que ocuparán las personas que las tierras utilizadas con fines industriales. Estos posibles usos finales del suelo pueden ser similares a lo que había antes de la perturbación o pueden requerir un cambio completo de ecosistema.
Reemplazo de Suelo y Enmiendas
Cuando el suelo ha sido despojado en horizontes y almacenado durante la perturbación, normalmente se reemplaza en su secuencia de horizonte natural. Aunque la mezcla de horizontes puede ser un problema, las técnicas de colocación cuidadosas pueden mitigarlo. El problema más probable es la compactación cuando se reemplaza el suelo y esto puede mitigarse a través de operaciones de labranza. Mucho daño a los suelos se puede reducir haciendo que las actividades de construcción ocurran en condiciones congeladas o secas. La calidad del suelo puede conservarse si los suelos se acumulan solo por períodos cortos de tiempo.
Si las propiedades químicas del suelo no cumplen con los requisitos de uso final del suelo, se pueden usar enmiendas para llevar los suelos a un criterio apropiado. Un problema común en la recuperación del suelo es la falta de materia orgánica e impacta en sus propiedades asociadas. Esto se puede abordar agregando una enmienda orgánica como estiércol animal o paja de una operación agrícola local, o material de suelo forestal (LFH) de un área que ha sido deforestada. Otro problema común es la falta de nutrientes del suelo necesarios para la revegetación. Estas deficiencias se pueden abordar mejor agregando fertilizantes comerciales compuestos por los nutrientes necesarios como nitrógeno, fósforo y potasio. Los fertilizantes pueden formularse a granel para satisfacer las necesidades específicas de un sitio de recuperación.
Un proceso común y ambientalmente importante es el uso de materiales de desecho en la recuperación de suelos. Esto tiene el beneficio adicional de retirar muchos materiales de los rellenos sanitarios donde de otro modo serían colocados. Las aguas residuales están disponibles en las instalaciones de tratamiento de desechos de la mayoría de los campamentos mineros y son una buena fuente de nutrientes y materia orgánica (Figura 16.2). Sin embargo, existen preocupaciones con el uso de aguas residuales en bruto debido a la posible presencia de sales, metales y microorganismos causantes de enfermedades. Los biosólidos son ampliamente utilizados como enmiendas del suelo. Se trata de lodos de aguas residuales que han sido tratados para disminuir el riesgo de patógenos. Otras enmiendas pueden ser utilizadas en la recuperación, incluyendo fuentes de calcio, residuos de fábricas de papel, lodos industriales, biocarbón, cenizas de madera y productos comerciales. Cada uno tiene propiedades específicas que pueden alinearse con las propiedades del suelo que necesitan mejorar, y cada uno a menudo viene con propiedades negativas asociadas que requieren equilibrio. Muchas jurisdicciones tienen regulaciones o lineamientos para el uso de desechos y subproductos industriales como enmiendas del suelo.
La variabilidad topográfica de las características en un paisaje, puede jugar un papel importante en la determinación de las comunidades vegetales, al igual que la escala de estas características. Por lo tanto, se necesita microvariabilidad topográfica en el paisaje construido y recuperado para proporcionar micro sitios para plantas y microorganismos, reducir la erosión y ser estéticamente agradable. Esto se puede proporcionar a través de características como montículos, surcos, depresiones, rocas, cantos rodados, sustratos de textura gruesa, mantillo y grietas.
Construcción de suelos
Cuando no hay suelo suficiente para ser reemplazado o enmendado después de una perturbación a gran escala, el suelo debe ser construido. Estos suelos construidos por humanos se denominan Antroposoles (Naeth et al., 2012). Los antroposoles pueden incluir suelos que han tenido capas (de al menos 10 cm de profundidad) eliminadas o modificadas por la actividad humana, o donde se han agregado materiales manufacturados al suelo; la actividad humana general ha alterado los factores formadores del suelo y se puede haber introducido una nueva trayectoria pedógena. Los antroposoles se clasifican a nivel de gran grupo con base en la composición material de las capas, específicamente el contenido de carbono orgánico y la presencia de artefactos antropogénicos (materiales hechos por humanos como plástico, vidrio, basura, concreto).
La construcción de suelos requiere varios pasos. Se evalúa el uso final del suelo para el área perturbada y se delimita el suelo apropiado para ese propósito. Para construir un suelo se requiere un sustrato mineral, que generalmente se puede encontrar o producir en grandes cantidades, y forma la masa principal de un antroposol. Las enmiendas se pueden agregar en cantidades más pequeñas para mejorar las propiedades físicas, químicas y/o biológicas, como el contenido de nutrientes, la capacidad de infiltración o el pH. La selección de enmiendas y sustratos o combinaciones apropiadas se basa en las propiedades físicas y químicas, el costo y la disponibilidad de materiales. Los materiales y combinaciones de materiales se estratifican de manera similar a los horizontes naturales del suelo o pueden incorporarse al suelo.
El uso de materiales de desecho para construir antroposoles es cada vez más común, especialmente cuando falta una fuente local. Se producen diversos materiales de desecho de diferentes industrias y actividades humanas, incluyendo mineral triturado y roca residual (minería), lodos de pulpa y papel (molienda de papel) y aserrín y astillas de madera (molienda de madera) (Figura 16.3). Las aguas residuales, los biosólidos y el compost se pueden obtener de sitios urbanos o industriales, y el estiércol de fuentes agrícolas.
Los materiales minerales son muy variables debido a las diferencias en las prácticas industriales (extracción, procesamiento) y fuente (material madre, ubicación). A menudo tienen bajo contenido de materia orgánica y nutrientes y poca capacidad de retención de agua. Pueden tener metales elevados y causar drenaje ácido de la mina (roca rica en azufre).
Se deben considerar muchas propiedades químicas, físicas y biológicas del suelo al construir antroposoles, ya que comúnmente son factores limitantes, especialmente cuando se utilizan materiales de desecho. Por ejemplo, la roca residual que contiene piritas puede causar problemas de acidez, y los materiales de textura gruesa generalmente tienen baja capacidad de retención de nutrientes y agua, y tienden a ser propensos a la erosión. Por lo tanto, las enmiendas del suelo deben coincidir estrechamente con los cambios de propiedad que se necesitan en el suelo de recuperación, teniendo cuidado de no agregar ninguna otra restricción.
Control de Erosión
La erosión es un problema en la mayoría de los sitios perturbados antes y durante la recuperación, ya que el suelo está desnudo y desprovisto de vegetación, exponiendo la superficie a la erosión eólica y hídrica. La erosión se puede reducir en sitios de recuperación con contorneado, enmiendas y diversos materiales como mantas de control de erosión y mantillo. Muchas técnicas, llamadas bioingeniería, incluyen el uso de materiales vegetales con técnicas como el estacado vivo (es decir, plantar esquejes individuales de madera viva en el suelo). Muchos productos de control de erosión son muy efectivos, aunque algunos pueden agregar costos considerables al proyecto de recuperación.
REMEDIACIÓN DE SUELOS
Los suelos pueden contaminarse a través de una variedad de medios, categorizados ampliamente como fuentes puntuales o fuentes no puntuales. Las fuentes puntuales incluyen tanques de almacenamiento de combustible con fugas, derrames en sitios industriales, áreas de eliminación de desechos y áreas de vertederos. Las fuentes no puntuales incluyen la deposición atmosférica. Aunque los suelos pueden estar contaminados con productos no químicos, como bacterias o virus dañinos, los contaminantes químicos suelen ser el problema principal.
El Consejo Canadiense de Ministros de Medio Ambiente define a los contaminantes como sustancias químicas cuya concentración supera las concentraciones de fondo o que no ocurren naturalmente en el medio ambiente (CCME 1997). Los suelos contaminados contienen sustancias químicas en concentraciones consideradas inseguras por los reguladores. A veces se usa el término contaminante, y se define como un químico o sustancia fuera de lugar, o presente a concentraciones superiores a lo normal, que tiene efectos adversos sobre organismos no objetivo (Pierzinski et al., 2005).
Las estrategias de remediación del suelo implican la remoción o destrucción de contaminantes, la reducción de la movilidad de los contaminantes o la transformación de los mismos en formas menos tóxicas. El objetivo principal es minimizar el riesgo para los humanos y otros receptores.
Contaminantes comunes del suelo
Los contaminantes del suelo pueden agruparse ampliamente como orgánicos e inorgánicos. Los contaminantes orgánicos incluyen pesticidas, solventes orgánicos y otros productos industriales (Cuadro 16.1). Los contaminantes orgánicos más comunes (masa o volumen) en sitios contaminados en Canadá son los hidrocarburos de petróleo (PHC), incluyendo petróleo crudo y productos refinados como combustibles y aceites lubricantes. Las dioxinas, furanos e hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) son compuestos orgánicos.
Cuadro 16.1. Contaminantes comunes del suelo
| Contaminantes comunes | Fuentes comunes |
|---|---|
| Contaminantes orgánicos | Productos refinados y sin refinar, combustibles, lubricantes, aceite |
| Hidrocarburos de petróleo (PHCs) | Creosota, alquitrán de hulla, asfalto, combustión incompleta, petróleo, madera |
| Hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) | Desengrasantes, instalaciones de limpieza en seco, industria del plástico |
| Hidrocarburos halogenados, aromáticos | Equipo eléctrico, aceite hidráulico |
| Disolventes clorados | Combustión incompleta de residuos que contienen cloro |
| Bifenilos policlorados (PCB) | Agricultura, control de plagas |
| Dioxinas, furanos | Industrias químicas, explosivos militares |
| Pesticidas | |
| Alcoholes, éteres, a base de nitrógeno | |
| Contaminantes inorgánicos | Químicos, industriales, desechos de minas, campos de tiro, cenizas volantes y de fondo, reciclaje de metales, eliminación de baterías |
| Metales pesados y trazas, metaloides | Drenaje ácido de roca, derrames químicos |
| Ácidos, bases | Biosólidos, estiércol, almacenamiento de sal, industria de petróleo y gas |
| Exceso de nutrientes y sales | Petróleo y gas, industria de fosfatos, minería de uranio |
| Radionúclidos | |
| (Adaptado de Knox et al. 1999, CCME 2016) | |
Los contaminantes inorgánicos incluyen metales o sales, a menudo como aniones o cationes. Pueden ser beneficiosos para los ecosistemas del suelo en concentraciones de fondo, aunque a altas concentraciones pueden representar un riesgo para los receptores humanos o no humanos. Por ejemplo, el cobre, el molibdeno, el cobalto y el zinc son importantes micronutrientes vegetales, pero son contaminantes a altas concentraciones. Los aniones no metálicos como el cloruro pueden acumularse en los suelos a partir de operaciones de deshielo o derrames químicos. A altas concentraciones pueden aumentar la conductividad eléctrica del suelo o tener impactos directos en las plantas.
Las altas concentraciones de nutrientes como nitrógeno, fósforo y azufre, pueden considerarse contaminantes. Se originan a partir de materiales de desecho que se almacenan o desechan de manera inapropiada en la tierra, como los desechos ganaderos aplicados en tierras agrícolas. La aplicación de estos materiales de desecho puede ser parte de los procesos de remediación y recuperación de sitios contaminados.
Propiedades de suelos y contaminantes relevantes para la remediación
La selección de una estrategia de remediación adecuada depende de las propiedades contaminantes y del sitio, incluidas las propiedades del suelo. Por ejemplo, los hidrocarburos del petróleo varían en peso molecular, solubilidad en agua, volatilidad y densidad; la gasolina tiende a tener menor peso molecular y mayor volatilidad que los aceites lubricantes. Los compuestos de hidrocarburos más grandes tienden a ser menos volátiles y menos solubles en agua que los más pequeños. Los hidrocarburos grandes no solubles pueden exhibir una fuerte sorción (son absorbidos) a la materia orgánica nativa del suelo (alto coeficiente de sorción), lo que dificulta su degradación o eliminación, particularmente en suelos de textura fina debido a la mayor sorción y potencial de atrapamiento dentro de los agregados del suelo, y la reducción movimiento de aire y agua.
Los contaminantes inorgánicos, como los metales, pueden estar presentes en diferentes formas en los suelos. La distribución entre los diversos componentes se verá afectada por la textura del suelo, mineralogía, pH, capacidad de intercambio catiónico y aniónico, contenido de materia orgánica y estado de aireación. Las estrategias de remediación deben tener en cuenta las diversas formas de especies químicas.
Estrategias de Remediación
Las estrategias de remediación para suelos contaminados pueden clasificarse ampliamente como biológicas, químicas o físicas (Cuadro 16.2). Muchos son una combinación de más de un tipo, y se pueden aplicar ya sea ex situ o in situ. Los métodos ex situ implican excavar el suelo de la zona impactada y tratar el suelo dentro o fuera del sitio. Los métodos in situ tratan el suelo contaminado en su lugar. Los sitios contaminados a menudo tienen aguas superficiales y subterráneas contaminadas que pueden requerir estrategias de remediación diferentes o complementarias.
Cuadro 16.2. Estrategias comunes de remediación para suelos contaminados
| Tipo | Categoría | Contaminantes comunes | Ubicación |
|---|---|---|---|
| Biológica | Biorremediación, cultivo de tierras, biopiles de ingeniería o hileras | Hidrocarburos de petróleo | O bien |
| Bioventilación | Hidrocarburos de petróleo | In situ | |
| Fitorremediación (rizodegradación, fitoextracción, fitodegradación, fitoestabilización, fitoextracción) | Hidrocarburos de petróleo, otros contaminantes orgánicos, metales | Generalmente in situ | |
| Reactores de fase de lechada o lagunas | Varios orgánicos | Ex situ | |
| Químico | Oxidación/reducción química | Orgánicos, inorgánicos | O bien |
| Neutralización | Ácidos, bases | O bien | |
| Físico | Extracción de vapor de suelo (SVE) | Compuestos orgánicos volátiles (gasolina) | In situ |
| Lavado de suelos, lavado de suelos, extracción de doble fase en aguas subterráneas | Orgánicos, inorgánicos | O bien | |
| Solidificación, estabilización | Orgánicos, inorgánicos | O bien | |
| Separación electrocinética | Orgánicos, inorgánicos | O bien | |
| Desorción térmica | Organics | O bien | |
| Incineración | Organics | Ex situ | |
| Vitrificación | Orgánicos, inorgánicos | O bien |
La biorremediación es un tratamiento biológico que utiliza microorganismos del suelo para tratar contaminantes. Puede utilizar procesos naturales de biodegradación, o potenciarlos agregando preparaciones comerciales u otras preparaciones microbianas (bioaumento), o agregando nutrientes como nitrógeno o fósforo y/o aceptores de electrones como el oxígeno (bioestimulación). Las estrategias de biorremediación se centran en la degradación microbiana de contaminantes orgánicos, aunque los cambios químicos inducidos por microbios de los químicos inorgánicos pueden considerarse biorremediación, como convertir más cromo tóxico en cromo menos tóxico.
La biorremediación se puede aplicar en diversas tecnologías, como granjas terrestres, biopiles o reactores de ingeniería. La bioventilación es un tratamiento in situ que mejora la degradación microbiana de los contaminantes a través de una mayor aireación en la zona contaminada. El uso de plantas para eliminar (fitoextracción), estabilizar (fitoestabilización) o destruir (fitodegradación) contaminantes es un tratamiento biológico llamado fitorremediación. Las bacterias rizósferas pueden desempeñar un papel importante en la biodegradación de contaminantes orgánicos durante la fitorremediación (rizodegradación).
Los tratamientos químicos se pueden utilizar para convertir los contaminantes en productos químicos no peligrosos o menos tóxicos, o en formas que son menos móviles, más estables o inertes. La oxidación química usando peróxido de hidrógeno, ozono o permanganato puede destruir compuestos como los HAP, y es mejor para líquidos como agua subterránea o lodos del suelo. La reducción química puede convertir el cromo tóxico en cromo menos tóxico y degradar algunos solventes orgánicos clorados como el tricloroteno. La neutralización implica agregar materiales para ajustar el pH del suelo altamente ácido o cáustico.
Los tratamientos físicos utilizan propiedades del contaminante o medio contaminado para separar o inmovilizar el contaminante. Los aditivos químicos pueden mejorar las eficiencias de eliminación. In situ, la extracción de vapor del suelo crea un vacío en la zona vadosa, atrae los vapores a un pozo de extracción, luego los trata o destruye sobre el suelo. El lavado del suelo ocurre in situ, donde la zona contaminada se trata con una solución, y los contaminantes movilizados se llevan a la superficie para su eliminación, tratamiento o recirculación. Las soluciones de tratamiento pueden ser agua, básicas, ácidas, quelantes o complejantes, reductoras, codisolventes o tensioactivos. La extracción de doble fase implica la instalación de tuberías a aguas subterráneas y la extracción al vacío de agua y contaminantes orgánicos como hidrocarburos de petróleo. El lavado del suelo se realiza ex situ y puede implicar separar los finos del suelo (limo, arcilla) del material grueso, reduciendo así la masa total y el volumen que necesita ser tratado.
La solidificación y estabilización previenen o ralentizan la liberación de contaminantes del suelo mediante el tratamiento con agentes aglutinantes como cemento o asfalto. El suelo puede ser tratado con un material que reducirá la solubilidad y movilidad de los contaminantes. Por ejemplo, los materiales a base de fosfato a menudo reducen la movilidad del plomo, al convertir el plomo en compuestos insolubles de fosfato de plomo. El sulfuro de hidrógeno puede convertir muchos metales en piritas respectivas insolubles.
La separación electrocinética envía una corriente continua de baja intensidad a través del suelo para separar metales, radionucleidos y contaminantes orgánicos. Las especies con carga positiva migran al cátodo y las especies con carga negativa, como los aniones inorgánicos y orgánicos, migran al ánodo.
Los tratamientos térmicos se utilizan principalmente para remediar contaminantes orgánicos. La desorción térmica es típicamente ex situ, con calor aplicado al suelo para evaporar o vaporizar los contaminantes que son recolectados, tratados o destruidos. Se requieren temperaturas de 90 a 320°C para tratar contaminantes orgánicos volátiles como componentes de combustible, 320 a 540°C para tratar compuestos orgánicos semivolátiles como PAHs, PCB y lubricantes. La incineración implica calentar el suelo ex situ a 870 a 1370°C para destruir los contaminantes orgánicos. La vitrificación calienta el suelo a 1400 a 2000°C para fundir la sílice y convertirla en vidrio estable y sólidos cristalinos. El calor puede ser generado por electrodos y resistencia eléctrica o tecnología de arco de plasma. Los contaminantes orgánicos se volatilizan, se atrapan y se tratan o destruyen y los contaminantes inorgánicos, incluidos los radionucleidos, se encierra.
Manipulación de procesos de suelo para mejorar la remediación
Comprender las propiedades y procesos del suelo facilita la remediación de suelos contaminados. Por ejemplo, en la biorremediación de suelos contaminados con hidrocarburos de petróleo, un compuesto hidrocarburo parental se biodegrada a uno más simple o se degrada completamente a dióxido de carbono. Se pueden manipular tres factores principales que influyen en la biodegradación de contaminantes orgánicos. Incluyen propiedades compuestas o químicas tales como solubilidad, peso molecular y potencial de sorción; capacidades microbianas, como si los microorganismos tienen sistemas enzimáticos apropiados para biodegradar el compuesto; y condiciones ambientales como temperatura, y pH del suelo, conductividad eléctrica, estado de aireación, contenido de agua, contenido de nutrientes, contenido de materia orgánica, textura y estructura.
El petróleo crudo contiene cientos de compuestos individuales de diversos tamaños moleculares, ramificación y solubilidad. Los compuestos más grandes y complejos son generalmente menos solubles y más fuertemente sorbidos (o particionados) al suelo. La mayoría de los horizontes superficiales del suelo contienen un consorcio de microorganismos heterótrofos capaces de degradar hidrocarburos de petróleo. Los organismos del suelo pueden ser inoculados en el suelo (bioaumento) en el biorreactor o granja terrestre, con suelo conocido por tener microorganismos degradantes del petróleo. La biorremediación de hidrocarburos de petróleo funciona mejor si las concentraciones de petróleo no son tan altas como para que el producto libre esté presente; concentraciones inferiores al 10% en masa son ideales.
El ambiente del suelo puede ser manipulado para mejorar la biodegradación. La degradación del petróleo es generalmente más rápida en condiciones cálidas, húmedas y aeróbicas cercanas a pH neutro. El pH del suelo se puede modificar con cal, ceniza de madera o azufre elemental. La mayoría de los microorganismos del suelo son mesófilos y la biodegradación se puede optimizar a 25 a 35°C; el reactor puede airearse para mejorar los niveles de oxígeno o calentarse en climas fríos. Los niveles de oxígeno están entre 1 y 10% en el aire del suelo y la actividad microbiana aeróbica es más rápida justo por debajo de la capacidad Asumiendo que no hay hidrofobicidad, el suelo cultivado o tratado puede mantenerse húmedo, cerca de la capacidad del campo. Las bacterias y hongos heterótrofos utilizan hidrocarburos de petróleo como fuente de energía y carbono para el crecimiento. Para crear nuevas células, los microorganismos necesitan carbono, nitrógeno, fósforo, azufre y otros nutrientes. El nitrógeno y a veces el fósforo tienden a ser necesarios en mayores cantidades; sin embargo, los hidrocarburos del petróleo suelen faltar en estos elementos. El petróleo crudo típicamente tiene aproximadamente 85% de carbono. Suponiendo una eficiencia de utilización de carbono del 50% y una relación media de células C:N de 10, los microorganismos necesitan aproximadamente 1 unidad de masa de nitrógeno por 20 unidades de masa de carbono de petróleo. Los niveles de 1 unidad de masa de nitrógeno por 40 a 50 unidades de masa de carbono del petróleo pueden ser suficientes ya que no todo el carbono del petróleo se degradará a la misma velocidad. El nitrógeno se puede agregar como fertilizante como urea o sulfato de amonio, o fuentes orgánicas ricas en nitrógeno como abonos y biosólidos. El fósforo debe estar disponible en una mezcla de hidrocarburos del suelo con una proporción adecuada de carbono a fósforo de al menos 50:1.
No todos los hidrocarburos de petróleo en el suelo son fácilmente biodisponibles. Los compuestos deben entrar en contacto con enzimas microbianas para que se produzca la degradación. Los contaminantes pueden ser fuertemente absorbidos al suelo, atrapados dentro de los poros, o en una fase separada lejos de microorganismos y/o sus enzimas. Este efecto de partición o sorción es más prevalente para compuestos petrolíferos más grandes e hidrofóbicos y suelos contaminados envejecidos o desgastados. Para la biorremediación de hidrocarburos in situ se debe eliminar la mayor cantidad posible de hidrocarburos de producto libre mediante extracción al vacío, entonces el hidrocarburo adsorbido restante se puede abordar mediante biorremediación.
El suelo puede ser manipulado para mejorar la biodisponibilidad. Las técnicas incluyen agregar surfactantes para disminuir la fuerte sorción del suelo y aumentar la solubilidad aparente de los hidrocarburos de petróleo. Los agregados del suelo pueden alterarse para mejorar el contacto entre las enzimas microbianas y los contaminantes. Algunos sistemas, como los reactores en fase de suspensión, son ideales para esto, pero pueden aumentar en gran medida los costos de tratamiento.
RESUMEN
- La recuperación del suelo y la remediación del suelo son componentes del proceso de recuperación de tierras mediante el cual un paisaje perturbado se devuelve a usos anteriores u otros usos productivos; los objetivos de recuperación del suelo están dictados por la naturaleza de la perturbación y el uso final deseado del suelo.
- La recuperación de suelos de paisajes altamente perturbados hace uso de nuestra comprensión de la formación y génesis del suelo; los humanos pueden acelerar los procesos de formación del suelo en parte mediante la adición de varias enmiendas, lo que incluye la utilización de diversos residuos residuales y plantas en el proceso de revegetación.
- Los antroposoles son suelos que se construyen a través de la intervención humana.
- La remediación del suelo es un subcomponente de la recuperación del suelo y se enfoca en la remoción, reducción o contención de contaminantes orgánicos y/o inorgánicos con el objetivo de minimizar el riesgo para los humanos y/o los receptores ambientales.
- Se dispone de una amplia gama de estrategias biológicas, químicas y físicas para remediar suelos contaminados; la selección de la tecnología más adecuada está dictada en parte por la naturaleza de los contaminantes y del suelo y sitio impactados.
- La biorremediación es un enfoque común para remediar suelos contaminados con hidrocarburos de petróleo; el proceso puede optimizarse manipulando el suelo y las condiciones ambientales para mejorar la degradación microbiana de los compuestos objetivo.
LECTURA SUGERIDA
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PREGUNTAS DE ESTUDIO
- Un arrendamiento de sitio de pozo de 1 ha con poca capa superficial del suelo requiere paja para aumentar la materia orgánica en la parte superior 0.15 m. La capa superior del suelo tiene 1% de materia orgánica, densidad aparente 1.50 Mg m -3. Los suelos adyacentes tienen 5% de materia orgánica y esto es requerido para el sitio de recuperación. Determinar el número de pacas redondas de 1,200 lb para obtener la parte superior de 15 cm a 5% de materia orgánica. Para ello, calcule la masa de suelo a modificar. Supongamos que el contenido de carbono orgánico de la paja de trigo es 45.5%. Cuenta para la mineralización dado que la respiración bacteriana libera aproximadamente 60% de materia orgánica como CO 2 y 40% en el suelo.
- Determinar la cantidad de estiércol de res aplicar a un pastizal de festuca, si se incorpora al suelo 1 día después de esparcirlo. Supongamos que los requerimientos recomendados de nutrimentos vegetales para pastizales de festuca son 30 kg ha -1 de nitrógeno y 15 kg ha -1 P 2 O 5.
- Se realizó un estudio para determinar la cantidad de fertilizante que se debe agregar a un campo para maximizar la biorremediación del petróleo crudo que se derramó en un sitio industrial. Una incubación de laboratorio mostró que la tasa máxima de biodegradación de hidrocarburos de petróleo (PHC) ocurrió cuando 25.0 unidades de masa de carbono contaminante se tratan con 1 unidad de masa de nitrógeno. Con base en esta relación, calcule cuántas toneladas de fertilizante de urea (45-0-0) deben aplicarse por hectárea (ha) para tratar la profundidad superior de 15.0 cm de un campo contaminado con petróleo crudo (la concentración de petróleo crudo es 1.25 g de petróleo 100-g -1 suelo seco = 1.25% en peso). El fertilizante se mezclará en los 15.0 cm superiores del campo usando un disker o rototiller después de la aplicación superficial. La densidad aparente del suelo es de 1.15 Mg m -3; y, el petróleo crudo contiene 85.0% de carbono. Supongamos que el contenido de N de la urea es 45.0%
- Se realizó un experimento de invernadero para determinar la factibilidad del uso de la planta mostaza india (Brassica juncea) para fitorremediar un suelo contaminado con plomo (Pb) (1640 mg plomo kg -1 suelo). La mostaza india se sembró en el suelo contaminado (en macetas de 4 L) y las macetas se colocaron en invernadero durante 12 semanas (se regaron y fertilizaron según sea necesario). Al final del experimento, se cosecharon las plantas y se determinó la concentración promedio de Pb en la biomasa aérea (raíces dejadas en el suelo). La concentración de Pb en la biomasa aérea fue de 1215 mg kg -1 de biomasa seca. Supongamos que el rendimiento típico sobre el suelo para la región de interés es de 10.0 toneladas de biomasa seca por ha por temporada de crecimiento; la densidad aparente del suelo es de 1.22 g cm -3 (1.22 Mg m -3), y la concentración de Pb en las plantas cultivadas en campo es igual a la del estudio de invernadero. Calcular cuántas temporadas de crecimiento (años) tomaría la mostaza india para reducir las concentraciones de Pb en el suelo en una rodaja de surco de hectárea (HFS = 10,000 m 2 x 0.15 m = 1500 m 3 de suelo) de 1625 a 300 mg de Pb por kg de suelo. En su opinión, ¿es práctica esta estrategia de remediación para este nivel de contaminación por Pb?
REFERENCIAS
Consejo Canadiense de Ministros de Medio Ambiente (CCME). 1997. Documento de orientación sobre el manejo de sitios contaminados en Canadá. Consejo Canadiense de Ministros de Medio Ambiente PN 1279 C97-980244-X.
Consejo Canadiense de Ministros de Medio Ambiente (CCME). 2016. Manual de orientación para la caracterización ambiental de sitios en apoyo a la evaluación de riesgos ambientales y de salud humana. Manual de guía del volumen 1. Consejo Canadiense de Ministros de Medio Ambiente PN 1551 ISBN 978-1-77202-026-7 PDF.
Gann G.D., T. McDonald, B.Walder, J. Aronson, C.R. Nelson, J. Jonson, J.G. Hallett, C. Eisenberg, M.R. Guariguata, J. Liu, F. Hua, C. Echeverria, E.K. Gonzales, N. Shaw, K. Decleer, y K.W. Dixon. 2019. Principios y normas internacionales para la práctica de la restauración ecológica. Segunda edición. Restauración Ecología S1-S46.
Knox, A.S., A.P. Gamerdinger, D.C. Adriano, R.K. Kolka, y D.I. Kaplan. 1999. Fuentes y prácticas que contribuyen a la contaminación del suelo. Pp 53-87 en Adriano et al. (co-editores) Biorremediación de suelos contaminados. Agronomía Serie 37. Sociedad Americana de Agronomía, Crop Science Society of America, Soil Science Society of America, Madison, Wisconsin, EUA.
Pierzynski, G.M., J.T. Sims, y G.F. Vance. 2005. Suelos y calidad ambiental. Grupo Taylor y Francis.
Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos. 2017. Informe de remedio del superfondo. 15ª edición. Oficina de Manejo de Emergencias Terrestres, EPA-542-R-17-001. En: https://www.epa.gov/remedytech/superfund-remedy-report.
Acerca de los Autores
M. Anne Naeth, Profesora, Departamento de Recursos Renovables, Universidad de Alberta, Edmonton, Alberta, Canadá
Anne es agróloga profesional (PaG) y bióloga profesional (PBiol). Se desempeñó como Decana Asociada (Académica) y Decana Asociada (Investigación y Estudios de Posgrado). Trabajó en gobierno e industria y se desempeñó en la Junta de Apelaciones Ambientales de Alberta, en ejecutivos de numerosas organizaciones y juntas profesionales. Su programa de investigación en recuperación de tierras ha llevado a extensas publicaciones, cambios de políticas y desarrollo de un nuevo orden de suelo (Antroposoles). Ha supervisado a más de 75 estudiantes de posgrado y asesorado a decenas de becarios postdoctorales, investigadores asociados y estudiantes universitarios. Es Cátedra Distinguida Vargo, Becaria de la Sociedad Canadiense de Ciencias del Suelo, Becaria de la Sociedad para la Enseñanza y el Aprendizaje en la Educación Superior, y ganadora de numerosos premios que reconocen becas, enseñanza y servicio comunitario, entre ellos el Premio CLRA Noranda Land Reclamation, Mentores de Millenium, Premio a la Excelencia Alumni, Cátedra Killam, Agrólogo Distinguido, Premio Rutherford a la Excelencia para la Enseñanza de Pregrado, 18 Premios al Maestro de la Facultad del Año, la prestigiosa Beca 3M y la Copa Universitaria (premio más alto de la Universidad de Alberta). Recibió la primera beca NSERC CREATE de la Universidad de Alberta para establecer la Land Reclamation International Graduate School (LRIGS), la primera escuela de este tipo en el mundo para la formación multidisciplinaria y el desarrollo profesional de estudiantes de recuperación de tierras.
P. Michael Rutherford, Profesor, Programa de Ciencias Ambientales, Universidad del Norte de Columbia Británica, Prince George, B.C., Canadá
Mike se unió al programa de Ciencias Ambientales de la UNBC en 2001. Imparte e investiga temas relacionados con la ciencia del suelo, la calidad ambiental y el manejo de residuos. Su investigación se ha centrado en una amplia gama de temas que incluyen: interacciones biológicas en suelos, ciclo de carbono y nitrógeno, radón y radiactividad natural, remediación y recuperación, y, el uso beneficioso de residuos (como la ceniza de madera) como enmiendas del suelo. Es un P.Ag. que disfruta trabajando en temas prácticos relacionados con la ciencia del suelo.
Allen M. Jobson, Microbiólogo de Suelos Jubilado, Alumno, Universidad de Alberta, Edmonton, Alberta, Canadá
Al se unió al Alberta Research Council en 1975 como especialista en biorremediación de petróleo, trasladándose al Centro de Investigación Ambiental de Alberta (Vegreville) en 1978 como Jefe de Microbiología Ambiental. En pos de otros intereses en la agricultura Al se mudó a Saskatchewan en 1980 y cultivó hasta 1987. Realizó ensayos de aplicación de herbicidas de tasa reducida con pulverizadores envueltos en todo Saskatchewan para Rogers Engineering Ltd. (Saskatoon). En 1991 se unió a Beak Associates en Saskatoon que se convirtió en SENTAR, luego Stanley Environmental, luego STANTEC (1994). Al consultó ampliamente sobre proyectos de remediación ambiental de suelos para STANTEC en Alberta, Saskatchewan, Manitoba, Nebraska e Idaho. En 2008 se incorporó a Ostrem Chemical Co. Ltd. (Edmonton) como especialista en desarrollo de productos diseñando productos más aceptables para el medio ambiente. De 1998 a 2018 Al fue profesor adjunto en el Departamento de Recursos Renovables, Facultad de Ciencias Agrícolas, de la Vida y Ambientales, Universidad de Alberta.