Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelo afectados por hidrocarburos

UNIVERSIDAD DE MÁLAGA FACULTAD DE CIENCIAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA TESIS DOCTORAL DESCONTAMINACIÓN POR EXTRACCIÓN DE VAPORES A VACÍO DE DIFERENTES TIPOS DE SUELOS AFECTADOS POR HIDROCARBUROS JUAN MIGUEL GÁMEZ SALAZAR MÁLAGA, 2016 AUTOR: Juan Miguel Gámez Salazar http://orcid.org/0000-0001-5251-5661 EDITA: Publicaciones y Divulgación Científica. Universidad de Málaga Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercialSinObraDerivada 4.0 Internacional: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/legalcode Cualquier parte de esta obra se puede reproducir sin autorización pero con el reconocimiento y atribución de los autores. No se puede hacer uso comercial de la obra y no se puede alterar, transformar o hacer obras derivadas. Esta Tesis Doctoral está depositada en el Repositorio Institucional de la Universidad de Málaga (RIUMA): riuma.uma.es UNIVERSIDAD DE MÁLAGA FACULTAD DE CIENCIAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA DESCONTAMINACIÓN POR EXTRACCIÓN DE VAPORES A VACÍO DE DIFERENTES TIPOS DE SUELOS AFECTADOS POR HIDROCARBUROS TESIS DOCTORAL POR JUAN MIGUEL GÁMEZ SALAZAR Málaga, Febrero 2016 AGRADECIMIENTOS “Entre los pecados mayores que los hombres cometen, aunque algunos dicen que es la soberbia, yo digo que es el desagradecimiento”, he recuperado estas palabras de Don Quijote, para que permitáis dedique unos minutos a transmitir mi más sincero agradecimiento a las personas que han hecho posible este trabajo. En primer lugar, quiero agradecer, a los doctores que componen este Tribunal, su asistencia por prestarse a valorar mi tesis doctoral. Gracias a mis directores de tesis, los doctores D. Francisco García Herruzo y D. José Miguel Rodríguez Maroto, por estar siempre a mi disposición, por sus consejos, por su esfuerzo y por integrarme en su grupo, más allá del trabajo de investigación. A los doctores D. Carlos Vereda Alonso y D. Rafael García Delgado y al técnico de Laboratorio D. Pedro Díaz Coca, por su amabilidad y por el trato tan cordial, y, en especial, al doctor D. César Gómez Lahoz, por prestarse siempre a vigilar mis experimentos e ilustrarme con sus razonamientos. A la empresa Geocisa, por darme mi primera oportunidad laboral y facilitarme parte de la información usada en este trabajo de investigación. A D. Antonio Odriozola Romillo, por confiar en mí, del que aprendí tanto de sus conocimientos técnicos como de su carácter humano. A todos mis amigos, por tolerar mis defectos, por sus consejos y por valorar nuestra amistad. A mi familia, por su consideración y respeto, y por dar sentido al espíritu familiar. Gracias Cebri, por escucharme y por compartir tantos momentos juntos. A mi suegro, por su continuo apoyo y por ser una de las mejores personas que conozco. A mis hermanas, Pepi y Gema, por su confianza, su cariño y devoción. A mis padres por su esfuerzo y dedicación; para mi madre, mil gracias, porque sin su empeño y su coraje no habría conseguido alcanzar tantas cosas en la vida. Gracias a Miguel y Marta, mis hijos, por sus sonrisas que dan color a mi vida. Por obligarme a terminar este Proyecto, por insistirme con el orden y la planificación, por orientarme, por comprenderme, por aceptarme, ¡por tantas cosas! Gracias Chiquita. “Yo no estudio para saber más, sino por ignorar menos” Sor Juana Inés de la Cruz (1651-1695) “No nos atrevemos a muchas cosas porque son difíciles, pero son difíciles porque no nos atrevemos a hacerlas” Lucio Anneo Séneca (4 a.C.– 65 d.C.) Capítulo 1.Introducción 3 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos 1. INTRODUCCIÓN. 1.1. OBJETIVOS. En esta investigación se pretende determinar la relación existente entre los datos obtenidos en ensayos de laboratorio y de campo mediante la aplicación de la técnica de extracción de vapores a vacío en suelos de diferente naturaleza. Para ello, a escala de laboratorio, se ha intentado reproducir las condiciones iniciales observadas en los emplazamientos reales descontaminados “in situ”. Este trabajo intenta, asimismo, establecer modelos de comportamiento en la eliminación de compuestos orgánicos volátiles (COVs) en función del tipo de suelo y para un mismo contaminante, de tal forma que se optimice el sistema de descontaminación a utilizar. En la consecución de estos objetivos se parte del conocimiento previo, para cada uno de los cuatro emplazamientos estudiados, de la siguiente información: • Caracterización previa ambiental y física del suelo. • Características del sistema utilizado para llevar a cabo la descontaminación. • Evolución de la descontaminación a lo largo del proceso. • Niveles de descontaminación alcanzados. 1.2. EL SUELO: CONSTITUYENTES Y ESTRUCTURA Desde un punto de vista edafológico, el suelo se define como la capa superior de la corteza terrestre formada a lo largo de miles de años a partir de partículas minerales, materia orgánica, agua, aire y organismos vivos. ;,ĂŵĞůů ϮϬϬϮͿ. El suelo se ha ido formando lentamente por la acción combinada de procesos geodinámicos, climatológicos y biológicos. El suelo se genera por fragmentación de rocas, experimenta transformaciones físicas, químicas y biológicas y va siendo erosionado por la acción del agua y el viento en un ciclo cuyo periodo es tan extenso que, a efectos prácticos, puede considerarse como un recurso "no renovable" (se requieren entre 1000 y 10000 años para la formación de unos 30 cm de suelo). Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 4 El suelo está constituido por una mezcla de sólidos minerales, materia orgánica, agua y aire, en proporciones muy variables, lo que da origen a los diferentes tipos, aunque, frecuentemente, las fases fluidas, aire y agua ocupan entre el 40-50% del volumen total, independientemente del tipo de suelo. ;ZŽĚƌşŐƵĞnjDĂƌŽƚŽĞƚĂůϭϵϵϯͿ La actividad biológica de los seres superiores se circunscribe principalmente a los primeros 20-30 cm de profundidad, mientras que la actividad microbiológica, fundamentalmente bacteriana, que desempeña un papel fundamental en la biodescontaminación in situ de suelos contaminados, alcanza zonas de hasta 10 m, siendo además responsable del cierre de algunos ciclos, entre otros el del carbono. Posee una importancia básica para la vida en nuestro planeta, ya que, no solamente soporta al hombre en un sentido biológico, sino que, además, es utilizado para su propio bienestar y subsistencia. De hecho, la Agencia Europea del Medio Ambiente, 2010 (AEMA) considera que “el suelo, como el aire y el agua, forma parte del sistema que sustenta la vida”. Sobre el suelo se asienta la agricultura, la minería, la industria, las explotaciones forestales, las infraestructuras de transporte y comunicaciones, las ciudades, así como el propio paisaje. Ya en la Carta Europea del Suelo de 30 de mayo de 1972, aprobada en el seno del Consejo de Europa, se estableció que “el suelo es uno de los bienes más preciados de la humanidad. Permite la vida de los vegetales, animales y del hombre en la superficie de la tierra” ;ŽŶƐĞũŽĚĞƵƌŽƉĂϭϵϳϮͿ De esta forma, el suelo cumple así funciones esenciales para la supervivencia de nuestro ecosistema (ĂƌďĞƌĄŶKƌƚşĞƚĂůϮϬϬϴ), ya que: • Es un filtro de agua. Un suelo sano reduce el riesgo de inundación y protege los acuíferos al neutralizar o filtrar posibles contaminantes • Es un sumidero de gases. La tierra y las plantas que crecen en ella capturan el 20% de las emisiones globales de CO2 • Es un banco de genes para una gran variedad de organismos • Tiene el carácter de “archivo histórico”, tanto de la vida humana como geológica, por la conservación de numerosos registros del pasado • Juega un papel crucial en el proceso de cambio climático teniendo en cuenta su condición de depósito natural de carbono ;şĂnjͲ&ŝĞƌƌŽsŝƋƵĞŝƌĂϮϬϭϭͿ. Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 5 Desde un punto de vista legislativo, en España, según el Real Decreto de 14 de enero, de 2005, (K ϭϱ ϮϬϬϱ) por el que se establece la relación de actividades potencialmente contaminantes del suelo y los criterios y estándares para la declaración de suelos contaminados”, se entiende por suelo a: “la capa superior de la corteza terrestre, situada entre el lecho rocoso y la superficie, compuesto por partículas minerales, materia orgánica, agua, aire y organismos vivos y que constituye la interfaz entre la tierra, el aire y el agua, lo que le confiere capacidad de desempeñar tanto funciones naturales como de uso” El suelo es, en definitiva, un sistema biogeoquímico que mantiene con la biosfera, la atmósfera y la hidrosfera un intercambio de materia y energía, formado por multitud de constituyentes que pueden clasificarse en tres categorías: • 1ª Categoría: Es la materia inorgánica o mineral que constituye aproximadamente el 45% en peso. En esta categoría se engloban las partículas coloidales procedentes de la erosión de rocas subyacentes, constituidas por minerales arcillosos; minerales como el cuarzo y diversos silicatos procedentes de la disgregación de rocas ígneas y metamórficas, óxidos metálicos (de hierro, magnesio, titanio, aluminio, zinc...), y carbonatos, principalmente carbonato cálcico, muy abundante en la gran mayoría de los suelos. • 2ª Categoría: Formada por la materia orgánica con aproximadamente el 5% en peso. Consiste en una mezcla de biomasa, plantas parcialmente degradadas, organismos vivos microscópicos y el humus. El humus es el residuo originado por la acción de hongos y bacterias sobre las plantas, y está compuesto por una fracción soluble (ácidos húmicos y fúlvicos) y otra insoluble denominada humina, que desempeña un papel importante en los procesos físicos y químicos que tienen lugar en el suelo. • 3ª Categoría: La forman las fases líquidas y gaseosas que ocupan los espacios porosos existentes entre las partículas sólidas y que supone, como ya se ha indicado, entre el 40-50% del volumen total del suelo. Evidentemente, esta distribución de los materiales que constituyen el suelo no es homogénea y, según evoluciona el suelo al pasar de superficial a más profundo, destacan zonas de color, textura y estructura diferentes, denominados horizontes. El conjunto de estos horizontes constituyen el perfil de un suelo, cuyo estudio permite analizar la acción de procesos bioquímicos y físico-químicos que han tenido lugar en él. Por Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 6 lo tanto, el suelo resultaser un sistema bastante complejo, si bien su mayor complejidad reside en las propiedades de los propios sólidos que lo forman, en los que se producen fenómenos de intercambio iónico, adsorción-desorción y transformaciones químicas y biológicas, todo ello con anisotropías a escala milimétrica. Desde el punto de vista de la Hidrogeología, al concepto de suelo y su geometría se debe añadir el papel que juega el agua existente en él y su distribución vertical. El terreno subterráneo está representado por un diagrama de fases que recurre a términos volumétricos y gravimétricos, y está compuesto de materiales sólidos (minerales), líquidos (agua) y gases (el aire que se encuentra en los espacios vacíos) ;DĂƌŽƚŽƌƌŽLJŽϮϬϬϯͿ El agua procedente de las precipitaciones o por recargas artificiales se va a infiltrar y a distribuir en profundidad en dos zonas separadas por la superficie saturada o nivel freático como son la zona no saturada (ZNS), zona de aireación o vadosa, y la zona saturada del suelo (ZS) o zona freática o de saturación. La ZNS es la zona más próxima a la superficie del terreno y se caracteriza por que en ella existen huecos entre los granos minerales que pueden contener agua y aire. La ZS se sitúa por debajo del nivel freático y se caracteriza por que los poros están ocupados por agua en su totalidad, agua a la que se la denomina agua subterránea. El límite de separación entre la ZNS y la ZS se denomina nivel freático, también denominado superficie saturada, nivel de saturación, superficie piezométrica o superficie potenciométrica, y que se define como la superficie donde todos los puntos se encuentran a la misma presión (presión atmosférica). Esta superficie se toma como referencia considerándose como presión igual a cero ;DĂƌŽƚŽƌƌŽLJŽϮϬϬϯͿ Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 7 1.3. CARACTERÍSTICAS DEL SUELO Cada suelo se caracteriza de acuerdo a sus propiedades físicas y químicas, por lo que el conocimiento de dichas características permitirá prever la dinámica de las sustancias contaminantes. Las propiedades más importantes que condicionan la vulnerabilidad de los suelos frente a la contaminación son: Textura. Todos los suelos constan de una mezcla de partículas o agrupaciones de partículas de diferentes tamaños. En función de dichos tamaños es posible establecer su clasificación. La tabla 1.1 recoge el sistema de clasificación del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT)  Tabla 1.1. Clasificación de las partículas del suelo en relación a su tamaño ;:ŝŵĠŶĞnj^ĂůĂƐ ĞƚĂůϭϵϳϱͿ Partículas Tamaño (mm) Arena 0,06 a 2,0 Muy gruesa 1,0 a 2,0 Gruesa 0,5 a 1,0 Mediana 0,25 a 0,5 Fina 0,10 a 0,25 Muy fina 0,05 a 0,10 Limo 0,002 a 0,06 Arcilla menor de 0,002  La figura 1.1 muestra la clasificación realizada por el Departamento de Agricultura de EE.UU. en función a su tamaño y del porcentaje de sus tres componentes principales: Arena, limo y arcilla. De esta forma, en función del porcentaje de arena, limo y arcilla, pueden establecerse diferentes tipos de suelo, en cuanto a su textura, recogidos en la figura. Así, un suelo franco puede ser definido como una mezcla de arena, limo y arcilla en proporciones parecidas, siendo los más importantes desde el punto de vista agrícola, al tratarse de suelos fácilmente laborables ;WĞĐŬĞƚĂůϭϵϴϮͿ Los suelos limosos y arcillosos contienen, en líneas generales, más del 60 y 45 % en peso de limo y arcilla respectivamente, mientras los arenosos incluyen todos los suelos en los que el porcentaje de arena alcanza el 70% o más de todo el material en peso. Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 8 Figura 1.1. Diagrama para la clasificación granulométrica de suelos usado por el U.S. Departament of Agriculture (WĞĐŬĞƚĂůϭϵϴϮ) Contenido en arcilla. El contenido en arcilla afecta de forma importante a la fertilidad y las condiciones físicas del suelo ya que está relacionado con la capacidad del suelo de retener cationes y humedad. Por el contrario, los suelos arenosos carecen de capacidad de fijación para los metales pesados, los cuales pueden pasar rápidamente al subsuelo y contaminar los niveles freáticos. La textura arcillosa resulta muy favorable en la prevención de la contaminación del suelo, dada su alta capacidad de fijación de metales y su estructura impermeable. La arcilla tiende a adsorber los metales pesados, que quedan retenidos en sus posiciones de cambio. Los minerales de la arcilla de tipo 2:1, como las esmectitas y vermiculitas, tienen una alta capacidad de fijación de cationes. Cuanto más alto sea el contenido en arcillas, más capacidad de fijar contaminantes tendrá el suelo. No obstante, si son muy arcillosos, tendrán abundantes y anchas grietas en los períodos secos por las que puede penetrar ampliamente la contaminación. Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 9 Porosidad. Huecos u oquedades de la estructura física del material terrestre. Es una propiedad intrínseca del suelo que se define como el volumen porcentual de espacios vacíos divididos por el volumen total y se representa como ;&ƌĞĚůƵŶĚĞƚĂůϭϵϵϯͿ: ș(%) =VH ⋅100 Vt [1.1] donde șes la porosidad, VH el volumen espacios vacíos y Vt el volumen total de suelo. Así pues, la porosidad es una medida de la cantidad de agua que un suelo saturado puede almacenar. Si dicho suelo drena el agua por gravedad, no toda el agua que contiene será liberada ya que habrá un volumen de agua que quedará retenido, a lo que habrá que incluir también el agua almacenada en poros que no están conectados (poros aislados). Los valores extremos de la porosidad dependen del tipo de material geológico y del grado de deterioro físico y químico sufrido por el mismo. En general, los sedimentos de granulometría gruesa, poco consolidados y de escasa cementación, presentan los valores más altos, mientras que las rocas ígneas o metamórficas con escasa fractura exhiben valores mínimos. Por esta razón se puede afirmar que, en el momento en que se forma la roca o se acumula material granular (sedimentos), también se crea la porosidad. Existen una serie de procesos que afectan o modifican la porosidad original, unos que la aumentan (disolución de minerales o matriz vítrea, procesos cársticos como disolución de caliza o yeso, dislocación de rocas) y otros que la disminuyen (formación de fallas con calentamiento por fricción o recristalización, cementación, compactación, etc). Los sedimentos finos recientemente depositados poseen por lo general porosidades de 50 al 90%, aunque su posterior compactación crea porosidades a mayor profundidad que pueden llegar a ser inferiores al 5%. La porosidad de las rocas volcánicas no fracturadas varía desde menos del 1% en basaltos compactos hasta mayor al 85% en la piedra pómez. Es conveniente destacar que una alta porosidad no lleva implícita una buena calidad del acuífero, ya que aunque pueda relacionarse con la posibilidad de transmitir grandes cantidades de agua, puede que no ocurra así. Las arcillas, por ejemplo, presentan una alta porosidad pero son muy poco permeables. Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 10 La definición de porosidad se refiere a un componente total, ya que considera todo tipo de poros. Sin embargo, no todos los poros del material geológico se encuentran comunicados entre sí, por lo que existirán poros que no permiten la libre circulación del flujo subterráneo, debiendo definirse otro término conocido como porosidad efectiva o porcentaje de poros interconectados que permiten la circulación de los fluidos. En depósitos granulares, la diferencia entre los dos conceptos de porosidad es de aproximadamente un orden de magnitud, diferencia que se hace mucho más importante en rocas fracturadas que se caracterizan por tener una gran porosidad total pero con una desconexión de poros muy importante (muy baja porosidad efectiva). En este caso es preferible relacionar la porosidad efectiva con la permeabilidad de la roca. En la siguiente tabla se presentan valores típicos de la porosidad y porosidad eficaz para diferentes materiales geológicos. Tabla 1.2. Porosidades de diferentes materiales componentes del suelo ;ƵƐƚŽĚŝŽĞƚĂůϭϵϴϯͿ Material Porosidad (%) Porosidad eficaz (%) Arcillas 40 - 60 0 - 5 Limos 35 - 50 3 - 19 Arenas finas y limosas 20 - 50 10 - 28 Arena gruesa 21 - 50 22 - 35 Grava 25 - 40 13 - 26 Pizarra 1 - 10 0,5 - 5 Roca ígnea sin fracturar 0,01 - 1 0,0005 Roca ígnea fracturada 1 - 10 0.00005 - 0,01   Densidad. En geotecnia se considera que el peso específico, peso por unidad de volumen, y la densidad, masa por unidad de volumen, son dos conceptos similares. El peso específico aparente seco o densidad seca, es el peso de la unidad del terreno desprovisto de agua intersticial, es decir, todos los poros están ocupados por aire, considerando el peso del aire como despreciable. El peso específico aparente del terreno natural también se le denominada densidad húmeda y es el peso por unidad de volumen del terreno, incluida el agua ;DĂƌŽƚŽƌƌŽLJŽϮϬϬϯͿ Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 11 De todo el volumen de poros del suelo el aire suele ocupar los poros pequeños y medianos. La porosidad puede suponer del 30 al 60% del volumen del suelo. Si se prescinde de los poros, la densidad real del suelo oscila entre 2,3 y 2,6 g/cm2, en función de la calidad de los materiales, a excepción de los suelos orgánicos y para el caso de suelos excesivamente compactos, con poco contenido en materia orgánica. La densidad seca o aparente (bulk density) es la densidad más representativa del suelo, ya que tiene en cuenta la porosidad y la estructura natural del suelo. La densidad real es la densidad de los granos que forman el suelo sin tener en cuenta su estructura y su porosidad. La relación entre ambas establece la porosidad: UHDODSDUHQWHUHDOG G G ˥ ᤡ  ᤢ − = [1.2] pH. Influye, sobre todo, en el grado de descomposición de la materia orgánica y en la solubilidad de los contaminantes. Es un parámetro muy importante para definir la movilidad de los cationes, ya que la mayoría de los metales pesados se encuentran disueltos a pH ácidos (móviles), mientras que a pH neutros y básicos tienden a precipitar (inmóviles), si bien a pH muy básicos pueden volver a movilizarse bajo la forma de aniones solubles o formando hidroxicomplejos (Se, V, As, Cr). Potencial redox. Junto con el pH, el potencial redox (Eh) es un parámetro decisivo. En el subsuelo, en el caso de los metales, las reacciones de precipitación-disolución se evalúan a menudo por la utilización de diagramas de estabilidad o diagramas de equilibrio de pH frente al potencial redox. Los diagramas potencial-pH, también conocidos como diagramas de Pourbaix, son representaciones gráficas de la estabilidad de un metal y sus productos de corrosión en función del potencial y el pH (acidez o alcalinidad) de la solución acuosa. Tales diagramas se construyen a partir de cálculos termodinámicos basados en la ecuación de Nernst y los datos de solubilidad de diversos compuestos metálicos ;,ĞƌŶĄŶĚĞnjϮϬϭϮͿ. Se utilizan para mostrar la estabilidad de compuestos de metales pesados y proporciona un método fácil para predecir el Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 12 comportamiento de los metales pesados frente a un de cambio en las condiciones ambientales. Los valores bajos de potencial de oxidación/reducción ocasionan formas reducidas que suelen ser solubles, mientras que las formas oxidadas tienen fuerte tendencia a precipitar. La figura 1.2, muestra el diagrama de Pourbaix para el caso del cobre ;DƵŹŽnjWŽƌƚĞƌŽϮϬϭϭͿ Figura 1.2. Diagrama de Pourbaix para el sistema cobre-agua a 25 ºC ;DƵŹŽnjWŽƌƚĞƌŽϮϬϭϭͿ Además de influir en el estado del ión metálico, las condiciones redox pueden afectar también de una manera indirecta a la movilidad de los metales, ya que muchos metales están asociados o adsorbidos en hidróxidos de Fe y Mn, que no son estables a Eh bajos y se convierten en FeS o FeCO3 dependiendo de las condiciones químicas. Cuando esto ocurre, los metales asociados a los hidróxidos se movilizan. Por otro lado, cuando los suelos y sedimentos contienen cantidades significativas de pirita, y aumenta el Eh (creación de condiciones más oxidantes), el S2se oxida a SO42liberando cantidades de H2SO4 que establece una mayor solubilidad de los metales. Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 19 Figura 1.4. Diferentes vías de contacto del suelo contaminado con la población humana y el medio ambiente ;ZŽĚƌşŐƵĞnjDĂƌŽƚŽĞƚĂůϭϵϵϯͿ Por su parte, la figura 1.5 muestra las diferentes vías de contacto entre un suelo contaminado, la población humana y el medio ambiente. Figura 1.5. Diferentes vías de contacto del suelo contaminado con la población humana y el medio ambiente ;ŝƌĞĐĐŝſŶ'ĞŶĞƌĂůĚĞĐĂůŝĚĂĚŵďŝĞŶƚĂůDŝŶŝƐƚĞƌŝŽĚĞůŵďŝĞŶƚĞĚĞWĞƌƷϮϬϭϯͿ Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 20 Desde el punto de vista de la contaminación, el suelo abarca la zona comprendida entre la superficie terrestre y la primera capa impermeable y en la que es importante diferenciar entre suelo saturado, donde la única fase fluida es agua, y suelo insaturado, en la que parte del volumen de huecos está ocupada por el aire. Esta zona no saturada está situada entre la superficie freática y la superficie del terreno, y en la misma pueden distinguirse tres subzonas: • Subzona sometida a evaporación: Comprendida entre la superficie del terreno y los extremos radicales de la vegetación que descansa sobre él. Puede, por tanto, tener espesor muy pequeño (entre 8 y 25 cm) cuando no haya vegetación o alcanzar profundidades del orden de 3 a 4 metros. El fenómeno de evaporación afectará al agua de esta zona, que asciende por capilaridad hasta la superficie. El agua capilar o suspendida de esta zona es la que emplean las plantas para sus funciones de nutrición y transpiración. • Subzona intermedia: Sus características son totalmente similares a la zona anterior y está situada debajo de ella. No está afectada por las raíces de las plantas y por eso su compactación es mayor. Contiene agua de retención y agua capilar aislada. • Subzona capilar: es la de transición a la zona saturada propiamente dicha y la altura que alcanza sobre la superficie freática depende de la textura del suelo. Su parte inferior está también saturada. Así pues, el límite de ambas zonas es difícil de establecer, puesto que como consecuencia de fenómenos de capilaridad se producen ramificaciones hacia arriba de la zona saturada (esta zona difusa se conoce con el nombre de zona vadosa). Dicho límite viene dado por el nivel que alcanza el agua cuando se perfora un pozo (en el caso de acuíferos no confinados), recibiendo el nombre de nivel freático. Esta zona suele ser fluctuante, debido a la descarga y recarga del acuífero y estas oscilaciones del nivel freático son causa frecuente de distribución de la contaminación entre ambas zonas. Históricamente, desde el punto de vista de la hidrología, se ha tenido en cuenta la zona saturada sin prestar mucha atención al movimiento del agua en la zona vadosa o no saturada. Sin embargo, si se tiene en cuenta la contaminación, esta última zona no puede ignorarse ya que resulta ser una zona importante en la captura, almacenamiento y liberación de los contaminantes. Descontaminación por extracción de vapores Capítulo 1.Introducción La figura 1.6, recoge las zonas el perfil del subsuelo. Figura 1.6. Distribución del agua en el perfil del Por su parte, pueden encontrarse, humedad como consecuencia de la presencia de relativamente limitada. También presencia de arcillas más o menos alterar de manera importante las propiedades fluido dirección del flujo, por ejemplo) del sentido del flujo de horizontal vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por zonas señaladas, así como la distribución de Figura 1.6. Distribución del agua en el perfil del subsuelo encontrarse, a cierta altura de la capa freática, humedad como consecuencia de la presencia de capas impermeables También es frecuente encontrar zonas de naturaleza menos expansivas en suelos básicamente arenosos, alterar de manera importante las propiedades fluidodinámicas de un suelo (cambio en la ejemplo) y que, incluso, debido la presencia de estratos, horizontal a vertical. La figura 1.7 recoge los hechos Figura 1.7. Diferentes zonas localizadas en el por hidrocarburos 21 agua subterránea en freática, zonas saturadas de capas impermeables de extensión naturaleza distinta, como la arenosos, que pueden dinámicas de un suelo (cambio en la estratos, pueden variar hechos comentados. Figura 1.7. Diferentes zonas localizadas en el subsuelo Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 22 Desde el punto de vista legislativo, la contaminación del suelo puede definirse de la siguiente forma: ڹ Suelo contaminado: aquel cuyas características han sido alteradas negativamente por la presencia de componentes químicos de carácter peligroso de origen humano, en concentración tal que comporte un riesgo inaceptable para la salud humana o el medio ambiente, y así se haya declarado mediante resolución expresa. (Real Decreto 9/2005, de 14 de enero, por el que se establece la relación de actividades potencialmente contaminantes del suelo y los criterios y estándares para la declaración de suelos contaminados) ڹ Suelo contaminado: aquel cuyas características han sido alteradas negativamente por la presencia de componentes químicos de carácter peligroso procedentes de la actividad humana, en concentración tal que comporte un riesgo inaceptable para la salud humana o el medio ambiente, de acuerdo con los criterios y estándares que se determinen por el Gobierno, y así se haya declarado mediante resolución expresa. (Ley 22/2011, de 28 de julio, de residuos y suelos contaminados). Desde el punto de vista de la opinión pública, la contaminación del suelo resulta menos notoria que la de los otros dos medios receptores, lo que probablemente ha incidido en el retraso de su reglamentación con respecto a la del aire o el agua en los países más industrializados. A pesar del enorme problema que representa la contaminación de las aguas subterráneas, la sensibilización de la opinión pública, en cuanto a la contaminación del suelo, está más vinculada a los casos de contacto directo y de contaminación por vía aérea, ambos asociados con frecuencia al crecimiento de las ciudades y la consiguiente construcción sobre antiguos vertederos industriales y urbanos. En el caso de contacto por vía aérea, es de destacar el fenómeno que se produce en los sótanos de edificios construidos sobre zonas contaminadas. Está suficientemente demostrado que la circulación transversal del aire en las plantas superiores provoca una ligera disminución en la presión de los sótanos (fenómeno similar al que tiene lugar en las trompas de vacío), produciéndose, por lo tanto, una succión de vapores del suelo, Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 23 alcanzándose concentraciones anormalmente altas de contaminantes, ya sea de naturaleza orgánica o gases cancerígenos que pueden tener origen natural, como el radón ;ZŽĚƌşŐƵĞnj DĂƌŽƚŽĞƚĂůϭϵϵϯͿ. La figura 1.8 recoge un esquema de lo anteriormente expuesto. Figura 1.8. Contaminación de edificios por circulación del aire ;ZŽĚƌşŐƵĞnjDĂƌŽƚŽĞƚĂůϭϵϵϯͿ  Otra razón por la que la normativa sobre suelos se ha retrasado, se debe a que el transporte de contaminantes en el suelo se produce a velocidades muy lentas si se compara con el desplazamiento en el aire o en el agua, por lo que los efectos de contaminación tardan en manifestarse y son difíciles de apreciar. De todas formas, el almacenamiento o la inmovilidad de los contaminantes pueden verse alterados por causas tales como una sobrecarga de contaminantes o por cambios en factores que influyen en la capacidad de retención (pH, potencial redox, uso del suelo, erosión, etc...), por lo que un suelo contaminado podría compararse con una “bomba química de efecto retardado”. Esta bomba química en el tiempo implica una rápida liberación de los contaminantes almacenados y es proporcional a la capacidad del suelo de almacenarlos, siendo especialmente graves los casos en que están presentes especies resistentes a la descomposición química o a la biodegradación, como es el caso de los metales pesados o productos orgánicos no biodegradables (hidrocarburos clorados). Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 24 Por lo tanto, el riesgo más importante en la acumulación de contaminantes en el suelo, se produce en aquellas situaciones en las que el contaminante no pierde su capacidad tóxica sino que permanece almacenado en forma inactiva mientras en el suelo se den ciertas condiciones, pero que si éstas desaparecen adquiere nuevamente sus características peligrosas. Asimismo, mientras los focos de contaminación del aire y del agua están, por lo general, localizados, emiten con cierta continuidad y el causante es normalmente identificable, la responsabilidad de la contaminación del suelo resulta, con frecuencia, mucho más difícil de establecer, sobre todo cuando la actividad que la produjo ha cesado. A la hora de caracterizar un emplazamiento con contaminación del suelo, es necesario afrontar el estudio teniendo en cuenta las siguientes actividades ;ŝƌĞĐĐŝſŶ 'ĞŶĞƌĂů ĚĞ ĐĂůŝĚĂĚŵďŝĞŶƚĂůDŝŶŝƐƚĞƌŝŽĚĞůŵďŝĞŶƚĞĚĞWĞƌƷϮϬϭϯͿ: • Identificación de los contaminantes potenciales. • Identificación y caracterización de las fuentes de contaminación. • Identificación de los mecanismos de migración a través de los medios afectados (suelo, agua subterránea, agua superficial, biota, sedimentos y aire). • Establecer las condiciones del nivel de fondo para cada medio afectado. • Identificar y caracterizar los receptores potenciales. • Determinar los límites del área en estudio o las condiciones de contorno. Relacionado con este aspecto, la figura 1.9 presenta un modelo conceptual para la descontaminación de suelos. Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 25 Figura 1.9. Esquema de modelo conceptual para descontaminación de suelos ;ŝƌĞĐĐŝſŶ'ĞŶĞƌĂůĚĞĐĂůŝĚĂĚŵďŝĞŶƚĂůDŝŶŝƐƚĞƌŝŽĚĞůŵďŝĞŶƚĞĚĞWĞƌƷϮϬϭϯͿ  1.4.1. FUENTES DE CONTAMINACIÓN DEL SUELO La contaminación del suelo puede surgir como resultado de actividades industriales, agrícolas o comerciales, tanto pasadas como en funcionamiento. Los orígenes más comunes incluyen: • Actividades industriales • Deposición de residuos (controlados o incontrolados) o vertidos salvajes. • Derrames accidentales (pinturas, disolventes, ácidos. etc) • Pérdidas y fugas, sobre todo subterráneas, en conducciones y depósitos. • Uso de compuestos agrícolas: Fertilizantes, insecticidas, etc. • Deposición de contaminantes desde la atmósfera (plomo por combustión de gasolinas). • Otras fuentes: Fosas sépticas y sobreexplotación de aguas subterráneas. Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 26 Otros focos a considerar son las conducciones y depósitos subterráneos. En los EE. UU., dependiendo de las fuentes consultadas, se estima que entre un 10-25% de los depósitos tienen pérdidas ;ZŽĚƌşŐƵĞnjDĂƌŽƚŽĞƚĂůϭϵϵϯͿ, cobrando especial relevancia las estaciones de servicio. En las fuentes de contaminación deben tenerse en cuenta tres características importantes: • Grado de localización: En este caso debe distinguirse entre fuentes puntuales o emisiones a pequeña escala e identificables, como puede ser un vertedero, un tanque de almacenamiento con fugas, etc. y fuentes difusas o dispersas que son problemas a mayor escala y poco definidos como la provocada, por ejemplo, por el uso productos fitosanitarios o pesticidas en tareas agrícolas • Historial de carga: El historial describe la variación de la concentración de contaminante o su velocidad de producción en función del tiempo, distinguiéndose entre derrames o pulsos, cuando la fuente produce contaminantes con una concentración constante durante un periodo de tiempo corto y emisiones continuas, en cuyo caso las concentraciones suelen variar de forma regular o no en el tiempo. Los efectos sobre la movilidad y el destino final del contaminante serán diferentes en cada caso. • Tipo de contaminante: A pesar de la gran variedad de fuentes de contaminación, la experiencia demuestra que son determinadas actividades industriales las que poseen una mayor probabilidad de originar suelos contaminados, especialmente de los emplazamientos donde se ubican. Estas actividades comprenden desde la producción y almacenamiento de productos petrolíferos, producción y formulación de productos químicos, hasta tratamientos de la madera, siderurgia, etc. Dada la enorme cantidad de actividades potencialmente causantes de contaminación, es muy difícil agrupar los contaminantes con un único criterio. Una posibilidad sería concentrarse en aquellas sustancias frecuentes en las aguas potables y efluentes que son nocivas o persisten en la cadena alimentaria. Como ejemplo, podría citarse la lista de la EPA que contiene 129 sustancias de las que 114 son compuestos orgánicos y 15 inorgánicos, fundamentalmente metales pesados, y que pueden agruparse en los siguientes tipos: Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 27 1. Metales pesados (As, Cd, Co, Cu, Cr, Hg, Ni, Pb y Zn) 2. Otras especies inorgánicas (cloruros, nitratos…) 3. Contaminantes orgánicos (halogenados, VOC’s…) 4. Contaminantes biológicos (microorganismos patógenos) 5. Contaminantes radioactivos (U, Cs…) Por otra parte, dependiendo de las condiciones geoquímicas existentes en el subsuelo, muchas sustancias pueden estar presentes como diferentes especies químicas. La identificación de la forma químicamente activa de un elemento y la predicción de su reactividad, tanto en la zona saturada como insaturada, son dos aspectos esenciales a la hora de evaluar el transporte y comportamiento de dicho elemento. Así, los contaminantes pueden encontrarse en el subsuelo en las siguientes formas: • Especies insolubles en forma sólida o líquida (NAPL) • Especies retenidas en los sólidos física y químicamente (adsorción, intercambio...) • Gases o vapores en los poros (zona insaturada) • Complejos metálicos • Especies con diferente grado de oxidación • Iones o moléculas disueltos en agua.  1.4.2. TRANSPORTEDELOSCONTAMINANTESENELSUELO En el estudio de la contaminación de suelos y aguas subterráneas es básico el conocimiento tanto de la geología del terreno como el flujo en el subsuelo. La velocidad y distancia de transporte de cualquier contaminante, está muy influenciada por procesos físicos, geoquímicos y microbiológicos que pueden reducir o aumentar la movilidad de un contaminante. Asimismo, estos procesos pueden transformar el contaminante en sustancias que pueden ser menos tóxicas, o incluso más, que el contaminante original. Así pues, los contaminantes introducidos en el suelo migran por y entre los diversos medios presentes, siendo, a su vez, transformados y degradados a medida que se mueven. Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 28 Una vez que los contaminantes han penetrado en el medio terrestre, pueden moverse según tres vías distintas y separadas: por escorrentía y erosión al ambiente acuático, por volatilización a la atmósfera y por percolación (o lixiviación) a las aguas subterráneas. El componente de transporte es crítico para determinar el destino medioambiental de una sustancia; sin él, los problemas medioambientales de contaminación serían mínimos. Así, los productos químicos utilizados con fines agrícolas o silvícolas permanecerían en las áreas de aplicación hasta ser degradados o transformados, los derrames químicos solo repercutirían en el sitio inmediato al accidente o fuga y la contaminación, originada por la eliminación de residuos y, por tanto, el tratamiento de terrenos, se limitaría a la zona de las instalaciones. No obstante, ningún caso de los señalados ocurre en la realidad. Cuando se produce un vertido, el contaminante puede llegar a ocupar la totalidad del volumen de huecos del suelo y se produce un transporte vertical, ya que, por gravedad, irá descendiendo, si bien a este descenso se oponen fenómenos de capilaridad y rozamiento similares a los que provocan que parte del agua, después de la lluvia, quede retenida en la zona insaturada. No obstante, para compuestos orgánicos, esta retención es, por lo general, inferior a la del agua y oscila entre el 1-10% de volumen de poros del suelo, si bien será tanto mayor cuanto más fina sea la textura del suelo. El comportamiento en el suelo de los contaminantes orgánicos es función de sus características físicas y químicas (densidad, solubilidad, polaridad, entre otras.), además de las características del medio como son la permeabilidad, estructura, tamaño de las partículas, contenido de humedad y de materia orgánica, así como la profundidad del manto freático. Factores climatológicos como la temperatura y la precipitación pluvial también tienen una gran influencia. Todas las variables en su conjunto definen el tamaño y la distribución tridimensional del frente de contaminación en una zona específica, según se recoge en la tabla 1.4 ;zƵƌŝĞƚĂůϭϵϵϬͿ Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 35 Por otra parte, en el caso de un soluto que sufra una adsorción en el material sólido del medio, la concentración total del mismo vendrá dada por: W T W & W & T&& WW ∂ ∂ + ∂ ∂ = ∂ ∂ ∴+= ···· ρθρθ [1.19] siendo q la cantidad de soluto adsorbido por unidad de masa de sólido y ρla densidad aparente del sólido. Si además el soluto sufre una transformación o degradación por unidad de volumen y tiempo, representado por el término G el consumo del soluto resulta finalmente. θθ ρ *[&y9 [ &'WTW& [ − ∂ ∂ − ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂· [1.20] La ecuación anterior contempla, por este orden, la variación temporal de la concentración en el fluido y de la cantidad adsorbida, el flujo por dispersión hidrodinámica, el flujo por convección (o arrastre global) y la velocidad de desaparición del compuesto en las dos fases. En el caso de la inexistencia de reacción química o biológica, el término de reacción se suprime, así la ecuación se reduce a: [&y9 [ &'WTW& [ ∂ ∂ − ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂· θ ρ [1.21] Para utilizar esta ecuación se debe definir la evolución en el tiempo de la masa adsorbida en el sólido ∂q/∂t. Para ello, se han desarrollado modelos que consideran condiciones de equilibrio y de no equilibrio, donde predominan los procesos cinéticos. La resolución matemática de la ecuación depende de la linealidad de la isoterma. En caso de isoterma no lineal se requieren métodos numéricos para su resolución. Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 36 1.4.3. DESTINO DE LOS CONTAMINANTES Los procesos que tienen lugar en el subsuelo pueden a su vez clasificarse en procesos de distribución y procesos de transformación. Los primeros están referidos a la forma o estado de asociación de una determinada sustancia en la fase acuosa o sólida bajo unas condiciones ambientales determinadas. Así, una sustancia puede asociarse con una fase sólida o en disolución, si bien las propiedades químicas y toxicidad de la misma pueden permanecer inalteradas. Sin embargo, el estado físico de dicha sustancia, si presenta influencia en los procesos de transformación y transporte que pueden ocurrir. El comportamiento de los contaminantes en el suelo dependerá tanto de las características de los mismos (solubilidad, densidad, polaridad, etc.) como de las del propio suelo (permeabilidad, tamaño de partículas, humedad, contenido en materia orgánica, profundidad de la capa freática, etc.). Asimismo, influirán factores climáticos locales como la temperatura o el régimen pluvial.  1.4.3.1. Procesos de distribución de contaminantes Cuando se produce la penetración del contaminante en el suelo, comienzan a producirse los fenómenos de reparto del mismo en cuatro fases principales: vapor en la atmósfera edáfica, disolución acuosa, fase líquida no acuosa (NAPL) y adsorbido en los sólidos y coloides presentes ;>ĞƐƐĞƌϭϵϵϱͿ La proporción relativa en que se encuentran los contaminantes en estas cuatro fases viene determinada en gran medida por sus propiedades físico-químicas. Así, la distribución del contaminante entre las fases, es función de la presión de vapor (asociada al reparto entre la fase vapor y la fase líquida no acuosa), la solubilidad en agua (controla la proporción del producto entre la NAPL y el agua), la constante de Henry (que gobierna el equilibrio entre el producto disuelto en el agua y el que se encuentra en la fase vapor) y las constantes de reparto (equilibrios de sorción entre los sólidos y las restantes fases). Como ejemplo, se e estima que de un vertido de una gasolina sólo el 1,5 % estará disuelto en agua, el 2,5 estará en fase vapor y el 96% restante queda retenido en el suelo principalmente como NAPL. La figura 1.11, muestra los diferentes equilibrios entre las fases. Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 37 Figura 1.11. Diferentes equilibrios entre las fase presentes en el suelo ;sĞƌĞĚĂůŽŶƐŽĞƚĂůϭϵϵϴ) En este sentido, es frecuente que, en el caso de compuestos orgánicos volátiles, la extensión de la contaminación se produzca por difusión en la fase vapor, ya que, aunque la cantidad de contaminante presente en ésta es comparable a la existente en la fase líquida, la difusión es superior en tres o cuatro órdenes de magnitud a la difusión en la fase líquida. Por su parte, los contaminantes pueden alcanzar la zona de agua subterráneas y, en el caso de fases inmiscibles o fases no acuosas menos densas que el agua (LNAPL), se sitúan por encima de la capa freática mientras que las más densas (DNAPL) pueden desplazarse al fondo de los acuíferos. Esencialmente todos los contaminantes químicos se disuelven en las aguas subterráneas en mayor o menor medida y se mueven con ellas agravando así la contaminación. Entre los diferentes procesos de disribución de un contaminante en el suelo, cabe destacar: •Volatilización: Transferencia de contaminante desde la NAPL o desde la fase acuosa a la fase gaseosa. Es un fenómeno típico de compuestos orgánicos tales como los disolventes clorados y los productos derivados del petróleo. Los principales factores que afectan a la volatilización son: la presión de vapor del contaminante, Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 38 el área de contacto en la zona insaturada y la velocidad de difusión del contaminante. Los contaminantes con presiones de vapor por encima de los 14 mm Hg a 20 ºC se consideran los suficientemenet volátiles como para ser eliminados por extracción de vapores a vacío, si bien la EPA fija para esta técnica un límite inferior el de 1mm de Hg. El proceso está controlado por la presión de vapor del soluto o disolvente(presión del gas en equilibrio con un líquido o sólido a una temperatura determinada). Para la volatilización de disolventes puros se utiliza la ley de Raoult, mientras que para los solutos orgánicos disueltos en agua se usa la Ley de Henry, (CA = H PA) siendo H la constante de Henry o factor de proporcionalidad que describe la tendencia de un contaminante disuelto a pasar a la fase vapor. Una constante de Henry alta implica la baja solubilidad del gas en el agua (O2 en agua, por ejemplo) mientras que una constante baja supone un gas bastante soluble en agua como el NH3. •Precipitación-Disolución (lixiviación): El proceso de precipitación es un proceso de distribución por el que se forma un sólido insoluble que se separa de la disolución, siendo la disolución el fenómeno contrario. La precipitación no es un proceso significativo en el caso de compuestos orgánicos excepto en algunos casos especiales como el de los policlorofenoles que forman precipitados insolubles en aguas con alto contenido en Ca2+ o Mg2+. La concentración de equilibrio de un compuesto en agua se determina a partir de su solubilidad o del producto de solubilidad. La solubilidad de los compuestos orgánicos tóxicos suele ser por lo general mucho menor que las de las sales inorgánicas. Asimismo, la solubilidad de equilibrio puede cambiar con el cambio de parámetros tales como pH, temperatura o presión. La solubilidad es la propiedad determinante que afecta a este tipo de fenómenos, ya que la solubilidad en agua controla la proporción en que el producto se encontrará repartido entre la NAPL y la fase acuosa. Los contaminantes presentes en los vertidos orgánicos presentan un amplio intervalo de solubilidades que van, por ejemplo, desde las 6210 mg/l del cloroformo a los 140 mg/L del etilbenceno o los 80 mg/l del 1,4diclorobenceno. Al contrario que la disolución, la precipitación reduce la movilidad. La solubilidad tiene un importante impacto en la movilidad del producto vertido, ya que los más solubles Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 39 al pasar a la fase acuosa procedente de la percolación debida a las precipitaciones se moverán con gran facilidad hacia el acuífero o bien éste por sus fluctuaciones de nivel (recarga) puede ponerse en contacto con los situados en la zona insaturada disolviéndolos en algunos casos. La EPA establece una solubilidad inferior a 100 mg/L como indicativo de baja movilidad, 100-1000 mg/L de movilidad media y superior a 1000 mg/L de alta movilidad en la fase acuosa. Por su parte, un compuesto químico que es soluble en agua puede lixiviarse en el suelo y ser biodegradado. Si la biodegradación es rápida, la lixiviación no es un problema, en caso contrario en su movimiento descendente puede llegar a contaminar el agua subterránea. En el subsuelo, en el caso de los metales, las reacciones de precipitación-disolución se evalúan a menudo por la utilización de diagramas de estabilidad ya comentados (Diagramas de Pourbaix). •Sorción: Es un proceso de distribución por el que metales disueltos o contaminantes orgánicos son transferidos desde la fase acuosa a las diferentes fases sólidas presentes en el suelo. Este proceso de retención se refiere a la sorción de iones o moléculas sobre superficies, básicamente arcillas y materia orgánica con carga superficial negativa. Es el principal proceso que afecta a la movilidad de los contaminantes y por lo tanto ha de tenerse muy en cuenta a la hora de considerar el transporte de los mismos. Los procesos de sorción se deben a las interacciones entre las moléculas en disolución y las superficies de los sólidos, pudiendo distinguirse entre fisisorción (fuerzas de atracción físicas (Van der Waals) y quimisorción con formación de enlaces químicos entre la molécula retenida y la superficie del sólido. Las sustancias que son retenidas fácilmente por la materia orgánica y las partículas de arcilla no se trasladarán a una distancia apreciable del lugar donde fueron inicialmente aplicadas. Por lo tanto, estos contaminantes permanecerán en la superficie o próximos a ella a menos que existan abundantes grietas en el suelo, macroporos y otros caminos preferentes que permitan un movimiento rápido de las partículas de suelo. Para estas sustancias, el transporte por erosión y escorrentía puede ser más importante que la lixiviación. Por otra parte, muchas sustancias de interés medioambiental se retienen Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 40 moderadamente y por ello existirán tanto en la fase disuelta como en la sorbida. Para estas sustancias, la contribución de la escorrentía superficial y la erosión comprenden generalmente una pequeña fracción del total de sustancia en el suelo aunque las concentraciones resultantes en el agua pueden ser apreciables, este es el caso de los pesticidas agrícolas. En el caso de productos químicos que no se retienen, caso de los cloruros o nitratos, estos se encuentran principalmente en la fase disolución y su movimiento hacia el agua subterránea estará controlado por la distribución temporal y la cantidad de agua aplicada (ya sea de precipitación o de riego), las características del suelo y los procesos de transformación. En el caso de suelos con bajo contenido en materia orgánica, salvo que se encuentren extremadamente secos (<2% de agua en peso), las sustancias apolares tienen poca tendencia a ser adsorbidas, ya que en los suelos húmedos la interacción entre las superficies minerales y los compuestos no ionicos es débil a causa de la adsorción preferente del agua, más polar, mientras que en los suelos secos, al no producirse tal circunstancia, se comportan como poderosos adsorbentes de vapores orgánicos Para la estimación de la distribución de estimación se usan isotermas de adsorción de (Langmuir, Freundlich, etc), coeficientes de selectividad (intercambio iónico) y relaciones empíricas como el coeficiente de reparto de cada componente entre el octanol y el agua (KOW). Este coeficiente está relacionado con el número de átomos de carbono de una sustancia, siendo, en general, las moléculas más grandes las que presentan mayor tendencia a quedar retenidas. Este coeficiente de distribución, también llamado coeficiente de partición (POW), es el cociente o razón entre las concentraciones de una sustancia en una mezcla bifásica formada por dos disolventes inmiscibles en equilibrio: n-octanol y agua. Ese coeficiente mide, pues, la solubilidad diferencial de un soluto en esos dos disolventes, simula bien el carácter hidrófobo de una sustancia y constituye un magnífico instrumento para determinar la tendencia de un compuesto a ser adsorbido sobre la materia orgánica del suelo.   Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 41 1.4.3.2. Procesos de transformación Mientras que los procesos de transporte especifican los vehículos para el movimiento de los contaminantes, y los de distribución determinan el reparto de los contaminantes en las distintas fases del suelo, los procesos de transformación establecen el destino final de una sustancia. Los procesos de transformación cambian la estructura química de una sustancia. En el subsuelo, estos procesos dependen de las condiciones ambientales existentes así como de la reactividad del contaminante. En caso de que mediante un proceso de transformación una sustancia cambie su carácter peligroso a otra sustancia no tóxica, no será necesario considerar su transporte. Las sustancias no persistentes, por ejemplo, con vidas medias inferiores a 15-20 días, que permanecen en el suelo en niveles significativos durante sólo unos pocos meses después de su vertido o aplicación inicial, dependen en gran parte de la distribución temporal y de la irrigación para presentar una movilidad y contaminación potencial apreciable. Por lo tanto, para que estas sustancias originen problemas de contaminación, su transporte, por escorrentía superficial y percolación al subsuelo, debe ocurrir durante el periodo en que la sustancia se localiza en zonas próximas a la superficie del terreno. Un caso, hasta cierto punto análogo pero diferente, ocurre con la lixiviación de los contaminantes: las mayores concentraciones y las penetraciones más profundas en el suelo ocurrirán con bastante probabilidad durante los pocos meses que siguen a la aplicación o deposición de la sustancia. Sin embargo, superpuesto a este transporte vertical, a distintas profundidades en el perfil del suelo existe un cambio en los procesos específicos de transformación/degradación así como de sus velocidades correspondientes. Así, procesos tales como la fotolisis ocurren fundamentalmente en los primeros centímetros mientras que las transformaciones biológicas, hidrólisis y oxidación-reducción pueden darse a diferentes profundidades. Aunque las velocidades específicas a las que ocurren estos procesos dependen de las características químicas individuales, del terreno y del medio ambiente, por lo general los procesos superficiales ocurren a mayores velocidades que los subterráneos. Por lo tanto, si un compuesto es incorporado al terreno o enterrado, se degradaría a menor velocidad que si fuese aplicado sobre la superficie y, por consiguiente, presentaría un mayor potencial de lixiviación hacia los acuíferos. Para los contaminantes persistentes, que muestran vidas medias en el suelo del orden de Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 42 100 días o más, la distribución temporal de la irrigación no es tan crítica para su movimiento, puesto que reside en el suelo más tiempo. Sin embargo, la influencia de los procesos superficiales y subterráneos y sus velocidades siguen teniendo una importancia fundamental. En este apartado deben incluirse, asimismo, aquellos mecanismos químicos y biológicos que pueden transformar una sustancia en varios metabolitos o subproductos de igual o mayor preocupación ambiental como consecuencia de su movilidad, persistencia o toxicidad. Experiencias realizadas con diversos productos fitosanitarios, han mostrado la necesidad de considerar los productos de transformación y sus diferentes movilidades y persistencia al evaluar el destino medioambiental de un compuesto. Entre los factores más importantes que afectan a las transformaciones no biológicas se incluyen: humedad del suelo, temperatura, pH, oxígeno, materia orgánica, arcilla, metales presentes, acidez/basicidad del suelo, etc. En el caso de la biodegradación, a estos mismos factores deben unirse otros tales como contenido en carbono, oxígeno disuelto y nutrientes del suelo, concentración de contaminante y clase de microorganismos presentes. Se han agrupado los procesos de transformación para incluir los mecanismos químicos y biológicos principales que delimitan el destino de una sustancia y determinan su persistencia en el suelo. Los procesos clave incluyen la complejación, la hidrólisis, la oxidación-reducción y la biodegradación ;^ĂŵƉĞƌϭϵϵϱ) •Complejación: Los iones metálicos en disolución forman frecuentemente complejos con el agua (hidratación), cloruros y otras especies conocidas como ligandos. Dependiendo de la estructura y reactividad del contaminante la complejación por ligandos orgánicos o inorgánicos puede hacer que aumente o disminuya su movilidad, reactividad y persistencia. Todo ello ha de tenerse muy en cuenta, sobre todo en el caso de los metales pertenecientes a las series de transición (Fe, Mn, Co,Ni,Zn, Cu). Generalmente, la solubilidad de los metales es mucho mayor cuando estos se encuentran formando complejos organometálicos. •Hidrólisis: Reacción de un compuesto con el agua con formación de nuevas especies. Pueden darse dos tipos de reacciones, unas de sustitución por las que un grupo funcional es sustituido por un ión hidróxido (OH-) o de adición por las que se incorpora agua a la estructura química de los compuestos. Son procesos que suelen ser irreversibles y sus velocidades de reacción, que dependen mucho del Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 43 pH, se indican normalmente en términos de vida media. •Oxidación-reducción: Las reacciones de oxidación-reducción implican la pérdida de electrones con el consiguiente aumento del estado de oxidación de una sustancia junto con la ganancia de electrones (reducción) de otra sustancia presente en el sistema. La intensidad de las reacciones redox se mide por las diferencias de potencial (potencial redox). Así un potencial de unos +800 mV se corresponde con unas condiciones oxidantes, mientras que un potencial de –400 mV indica unas fuertes condiciones reductoras. Por lo tanto, la medida del potencial indica el tipo de reacciones que pueden ocurrir. Junto a la sorción, este proceso resulta ser el más significativo de las reacciones que afectan a los contaminantes en el subsuelo. Las reacciones redox bióticas o abióticas ejercen un papel decisivo en la solubilidad y movilidad de los metales pesados. Las reacciones redox en las que intervienen microorganismos son capaces de transformar la mayor parte de los contaminantes orgánicos. •Biodegradación: Es uno de los procesos más frecuentes de transformación de compuestos orgánicos en el subsuelo. Es importante la presencia de microorganismos nativos del suelo, que tienen un papel fundamental en la ausencia y/o permanencia de compuestos orgánicos La velocidad de degradación aumenta para contaminantes de refinería y petroquímicos cuando las temperaturas van de 10 a 30 ºC, pero disminuye ligeramente cuando las temperaturas aumentan de 30 a 40 ºC ;h^ŶǀŝƌŽŵĞŶƚĂůWƌŽƚĞĐƚŝŽŶŐĞŶĐLJϭϵϴϯͿ. El contenido de oxígeno en suelo es frecuentemente un factor limitante en la biodegradación Por el mismo, un compuesto químico es descompuesto en otras sustancias más simples, aunque a veces más tóxicas que el contaminante de partida. Tal es el caso de la transformación anaeróbica del tri y tetracloroetileno al transformarse en dicloroetileno y cloruro de vinilo, compuestos mucho más persistentes y tóxicos. Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 1.Introducción 44 1.5. BIBLIOGRAFÍA AGENCIA EUROPEA DE MEDIO AMBIENTE (AEMA),., 2010. Con los Pies en la Tierra: La Degradación del Suelo y el Desarrollo Sostenible en Europa.-“El Suelo: El Recurso Olvidado”. BARBERÁN ORTÍ, R. and EGEA ROMÁN, P., 2008. "La Política de Medio Ambiente", Economía De La UE. Civitas. BEAR J and CHENG, A.H., 2010. Modeling Groundwater Flow and Contaminant Transport. Springer Dordrecht. BOE 15, 2005. “REAL DECRETO 9/2005, De 14 De Enero. Ministerio de La Presidencia. CALLEJA PARDO, G., et al, 1999. Introducción a la Ingeniería Química. Editorial Síntesis. CONSEJO DE EUROPA., 1972. Carta Europea del Suelo. CUSTODIO, E. and LLAMAS, M.R., 1983. Hidrogeologia Subterránea. . 2ª Edición. Tomos I y II. Ed. Omega. DANIEL, D., 1993. Geotechnical Practice for Waste Disposal. Ed. Chapman & Hall. DÍAZ-FIERRO VIQUEIRA, F., 2011. La Ciencia del Suelo. Historia, Concepto y Método. Universidad de Santiago de Compostela, Santiago de Compostela. Dirección General de calidad Ambiental. Ministerio del Ambiente de Perú, 2013. Guía para la Elaboración de Planes de Descontaminación de Suelos. Decreto Supremo Número 00022013MINAM. FREDLUND, D. and RAHARDJO, H., 1993. Soil mechanics for Unsaturated Soils. Ed. WileyInterscience Publication. HAMELL, M., 2002. El Valor De La Tierra. Medio Ambiente para Los Europeos, nº 11. HERNÁNDEZ, J., 2012. Diagramas De Pourbaix: Herramienta Termodinámica Aplicada a los Problemas de Corrosión. Revista Digital De Investigación De La Universidad Nacional Experimental "Antonio José De Sucre". Venezuela. Departamento Ingeniería Metalúrgica. Volumen 2. Número 5. Pág. 297-306. Capítulo 2.Clasificación de las Técnicas de Tratamiento de Suelos Contaminados 51 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos TÉCNICAS DE INMOVILIZACIÓN: La aplicación de un tratamiento de este tipo, implica cambios físicos y químicos en orden a inmovilizar los contaminantes presentes en el suelo. Estos tratamientos deben ser capaces de conseguir niveles aceptables de concentración de contaminante en el lixiviado, cuando el suelo tratado se someta a un test de lixiviación como, por ejemplo, el TCLP (Toxicity Characteristic Leaching Procedure). Mediante estas técnicas, generalmente aplicadas ex-situ, el contaminante no se destruye sino que simplemente se inmoviliza mediante el empleo de agentes como el cemento Pórtland o materiales de tipo puzolánico. Actualmente, se observa una tendencia hacia el abandono de soluciones basadas en la inmovilización o control de contaminantes y el desarrollo de técnicas que implican la destrucción definitiva del contaminante, de forma que se eviten los costes de monitorización indefinida y la necesidad de limpiar suelos ya tratados previamente. A continuación se describen brevemente algunos de los procedimientos de rehabilitación de suelos contaminados más destacables y se comentan sus principales características. 2.1. TÉCNICAS DE SEPARACIÓN. 2.1.1. AIREACIÓN IN SITU (SOIL VAPOR EXTRACTION,SVE). Mediante la aplicación de esta técnica los componentes orgánicos volátiles (COVs) son eliminados de la zona insaturada del suelo mediante su evaporación hacia un flujo controlado y continuo de aire que atraviesa el medio contaminado por la acción de una bomba de vacío, conectada a un pozo de succión, que fuerza la entrada de aire desde el exterior. El diseño de un sistema de descontaminación mediante vacío debe orientarse a maximizar la intersección del recorrido del aire, a una velocidad adecuada, con la zona contaminada, en definitiva, a lograr la máxima transferencia del contaminante desde las distintas fases en que se encuentra en el suelo hasta el aire en circulación. Para conseguirlo, será necesario permitir el máximo contacto del aire con el contaminante y que la velocidad con que el primero circula se encuentre en correspondencia con la velocidad de transferencia desde las distintas fases del segundo ;ZŽĚƌşŐƵĞnjDĂƌŽƚŽĞƚĂůϭϵϵϱͿ La efectividad de esta técnica depende principalmente de la volatilidad de los contaminantes y de la permeabilidad y homogeneidad del suelo y a menudo es usada para Capítulo 2.Clasificación de las Técnicas de Tratamiento de Suelos Contaminados 52 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos limpiar sitios contaminados por derrames o fugas de COVs o gasolinas, además esta técnica puede facilitar e inducir otros procesos de descontaminación como la biodegradación de contaminantes poco volátiles ;sŽůŬĞ^ĞƉƷůǀĞĚĂĞƚĂůϮϬϬϮͿ En cuanto a sus limitaciones, no es útil para la eliminación de aceites pesados, metales, PCBs o dioxinas ;<ŚĂŶĞƚĂůϮϬϬϰͿy no es una tecnología adecuada para zonas saturadas o zonas de baja permeabilidad como suelos arcillosos. Por su parte, la corriente gaseosa extraída contiene, junto con los contaminantes orgánicos volátiles, partículas sólidas y agua arrastrada o condensada, por lo que, en muchas ocasiones, estos efluentes deben ser acondicionados mediante el empleo de tratamientos adicionales, (incineración, adsorción sobre carbón activo etc.), antes de proceder a su vertido. Al tratarse de la técnica utilizada en esta investigación, más adelante será comentada con más detalle. 2.1.2. BORBOTEO(SPARGING). Consiste en la inyección de aire en la zona saturada del suelo, desde la que se transfieren los componentes más volátiles al aire. Con objeto de evitar que este aire contaminado se disperse en la zona insaturada no contaminada, esta técnica suele combinarse con la extracción de vapores a vacío, que se encarga de recuperar la corriente gaseosa que contiene los vapores contaminantes cuando ésta alcanza la zona insaturada y reconducir las corrientes de aire hacia la zona de tratamiento. 2.1.3. EXTRACCIÓN CON VAPOR (STEAMSTRIPPING) Mediante esta técnica, se inyecta vapor de agua a la zona insaturada del suelo para arrastrar los componentes menos volátiles del mismo. La condensación de parte del vapor inyectado suministra el suficiente calor para la evaporación del contaminante, siendo necesaria la instalación de algún tipo de sistema en la superficie para el control de las emisiones tóxicas que puedan producirse. Capítulo 2.Clasificación de las Técnicas de Tratamiento de Suelos Contaminados 53 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos 2.1.4. BOMBEO YTRATAMIENTO Es una técnica empleada principalmente para acuíferos contaminados que consiste en extraer el agua contaminada del suelo y del subsuelo, tanto de la zona saturada como de la zona no saturada ;KƌƚŝnjĞƌŶĂĚĞƚĂůϮϬϬϳͿ. Cuando se trata la zona saturada, el agua es bombeada a la superficie para su posterior tratamiento, conocido con el término de Pump&Treat ;/ůůĂŶŐĂƐĞŬĂƌĞĞƚĂůϮϬϬϭͿ. Cuando se busca actuar sobre la zona no saturada, normalmente se hace una inyección previa de agua, por gravedad o a presión, que arrastre y lave los elementos contaminantes del suelo y que los almacene en la zona saturada para ser posteriormente bombeada a la superficie. Sin embargo, aunque este tratamiento es muy común, no es el más eficiente, puesto que no es aplicable en terrenos fracturados o suelos arcillosos, el agua no se descontamina totalmente para su consumo humano y presenta limitaciones como su elevado coste y tiempo de ejecución ;/ůůĂŶŐĂƐĞŬĂƌĞĞƚĂůϮϬϬϭͿ 2.1.5. EXTRACCIÓN DE FASE LIBRE Se aplica en suelos contaminados con hidrocarburos en fase libre, situados por encima del nivel freático. Normalmente se extraen mediante pozos verticales a los que fluye el contaminante, a profundidades del nivel freático superiores a 80 m, y que pueden extraer sólo la fase libre, la fase libre y agua simultáneamente, o una mezcla de ambos ;Kƌƚŝnj ĞƌŶĂĚ ĞƚĂůϮϬϬϳͿLos equipos que extraen únicamente fase libre utilizan generalmente bombas de skimmer, situadas a una profundidad que se corresponda con la interfase agua-fase libre, con un filtro en su interior que facilita el paso selectivo de sustancias orgánicas en función de su densidad. Los sistemas de bombeo dual extraen el agua y la fase libre separadamente mediante dos bombas diferentes situadas a distintas profundidades del pozo, de forma que la bomba que extrae el agua debe emplazarse por debajo de la interfase agua-fase libre y la bomba que extrae la fase libre por encima. La extracción de fluidos totales, que extrae una mezcla de agua y fase libre en casos de homogeneización del contaminante con el agua o de espesores muy pequeños de la fase libre en suelos poco permeables, utiliza una única instalación de bombeo, bien sumergida o bien bombas de vacío instaladas en superficie. Esta extracción requiere la posterior separación de las dos fases. Capítulo 2.Clasificación de las Técnicas de Tratamiento de Suelos Contaminados 54 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos 2.1.6. EXTRACCIÓN DE FASESDENSAS Algunos contaminantes como los disolventes clorados, algunos PCBs, fenantreno y naftaleno son más densos que el agua y se acumulan por debajo del nivel freático, en la zona de contacto con los materiales menos permeables subyacentes. Estas sustancias, poco solubles y difíciles de degradar, pueden generar plumas de contaminación que ocupan grandes volúmenes ;KƌƚŝnjĞƌŶĂĚĞƚĂůϮϬϬϳͿ. Su extracción se realiza a través de pozos, a veces inyectando disolventes en la zona contaminada que favorezcan la circulación de los contaminantes hacia el pozo, y dependiendo del método de extracción pueden ser extraídas en solitario con bombas de skimmer, mezcladas con el agua (con la consiguiente disminución del rendimiento de la extracción), o por bombeo dual de ambas fases por separado. Como aspecto negativo, el bombeo de estos compuestos densos está asociado con elevados consumos energéticos. 2.1.7. LAVADO IN SITU(FLUSHING) El lavado in situ implica el uso de agua o mezclas de disolventes/agua para la eliminación de contaminantes del subsuelo. Para ello, se utilizan pozos de inyección para introducir el agente extractante y pozos de extracción para la recogida de la disolución que transporta los contaminantes separados del suelo mediante bombeo. En caso de contaminación superficial, pueden utilizarse drenajes para la extracción del fluido con el contaminante y su posterior tratamiento. Esta inyección de agua se puede ver reforzada con la adición de disolventes o compuestos químicos que puedan favorecer la desorción de los contaminantes del suelo, como tensoactivos, para eliminar compuestos orgánicos de baja solubilidad; hidróxido sódico, para disolver la materia orgánica del suelo; solventes solubles en agua como el metanol; sustitución de cationes tóxicos por cationes no tóxicos; agentes complejantes como el EDTA; ácidos y bases, que desorben metales y algunos compuestos orgánicos y sales, y agentes reductores y oxidantes que incrementan la movilidad de los contaminantes. De esta forma, el tipo de suelo, su pH, la capacidad de intercambio catiónico, el tamaño de partícula, la permeabilidad, etc., son parámetros que determinan la eficacia de la desorción ;DƵůůŝŐĂŶĞƚĂůϮϬϬϰͿ. Normalmente, los sistemas de Pump&Treat se utilizan para aguas subterráneas contaminadas con compuestos orgánicos volátiles y semivolátiles, combustibles y metales pesados ;WĂĐŝĨŝĐ EŽƌƚŚǁĞƐƚ EĂƚŝŽŶĂů Capítulo 2.Clasificación de las Técnicas de Tratamiento de Suelos Contaminados 55 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos >ĂďŽƌĂƚŽƌLJϭϵϵϰͿ Esta técnica puede aplicarse tanto a la zona saturada como insaturada del suelo, si bien, en el caso de zona insaturada, puede producirse que parte del flujo contaminado pase, por gravedad, a las aguas subterráneas. Asimismo, debe realizarse una selección cuidadosa del disolvente a utilizar, con el fin de prevenir efectos perjudiciales al medio en el que se aplica, tal es el caso del posible peligro en el que podría verse implicada la población bacteriana presente en el suelo. La figura 2.2 recoge un esquema de la aplicación de esta técnica Figura 2.2. Tratamiento in situ de flushing ;KƌƚŝnjĞƌŶĂĚĞƚĂůϮϬϬϳͿ  El flushing se aplica a todo tipo de contaminantes, especialmente a compuestos inorgánicos incluidos los elementos radioactivos, y se suele combinar con otros tratamientos como la biodegradación y el pump&treat ;ŽƵůĚŝŶŐ ϭϵϵϲͿ. Sin embargo, es difícil de aplicar en suelos de baja permeabilidad o ricos en elementos finos y requiere una vigilancia estrecha para impedir que los contaminantes migren en otra dirección distinta a la deseada ;:ŽŚŶƐƚŽŶĞƚĂůϮϬϬϮͿ Capítulo 2.Clasificación de las Técnicas de Tratamiento de Suelos Contaminados 56 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos 2.1.8. LAVADO EX SITU(WASHING) Esta técnica se aplica en lodos o suelos ya excavados, posteriormente el suelo tratado es separado por tamizado, densidad o gravedad para eliminar las partículas de grava más gruesas, con poca capacidad de adsorción, de la fracción fina y seguidamente lavado con extractantes químicos que permitan desorber y solubilizar los contaminantes ;KƌƚŝnjĞƌŶĂĚ ĞƚĂůϮϬϬϳͿ Después del tratamiento químico, el suelo se vuelve a lavar con agua para eliminar los contaminantes y agentes extractantes residuales y se devuelve a su lugar de origen ;WĞƚĞƌƐ ϭϵϵϵͿ La eficacia de esta técnica depende del grado de adsorción del contaminante, controlado por una serie de propiedades del suelo como el pH, la textura, la capacidad de intercambio catiónico, la mineralogía o el contenido en materia orgánica y otros factores, como el tiempo que hace que el suelo está contaminado, o la presencia de otros elementos tóxicos. La figura 2.3 muestra un esquema de este tratamiento. Figura 2.3. Proceso de lavado de suelos ;KƌƚŝnjĞƌŶĂĚĞƚĂůϮϬϬϳͿ Capítulo 2.Clasificación de las Técnicas de Tratamiento de Suelos Contaminados 57 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos El lavado de suelos se utiliza fundamentalmente para suelos contaminados con compuestos orgánicos semivolátiles, hidrocarburos derivados del petróleo y substancias inorgánicas como cianuros y metales pesados, y es menos eficaz para tratar compuestos orgánicos volátiles y pesticidas ;ǀŽŐĂĚƌŽĞƚĂůϭϵϵϰͿ La extracción con disolventes y ácidos es un tratamiento aplicado ex situ que se basa en la extracción de los contaminantes mediante la mezcla en un tanque del suelo con un disolvente orgánico como acetona, hexano, metanol, éter dimetílico y trietilamina. El disolvente orgánico arrastra los contaminantes y se separa del suelo por evaporación, y mediante la adición de nuevos disolventes o destilación los contaminantes se eliminan para que el disolvente orgánico empleado pueda ser reutilizado. A su vez, el suelo tratado se lava para eliminar cualquier resto que pueda quedar del disolvente. Con esta técnica se obtienen muy buenos resultados para eliminar compuestos orgánicos como PCBs, COVs, disolventes halogenados, hidrocarburos derivados del petróleo y compuestos organometálicos ;KƌƚŝnjĞƌŶĂĚĞƚĂůϮϬϬϳͿ aunque se debe de tener en cuenta la posible toxicidad del disolvente empleado y los residuos de su posterior tratamiento para ser reutilizado. Después del tratamiento, se debe neutralizar cualquier resto de ácido en el suelo con la adición de cal o fertilizantes ;h^ŶǀŝƌŽŵĞŶƚĂůWƌŽƚĞĐƚŝŽŶŐĞŶĐLJϭϵϵϬͿ 2.1.9. ELECTRODESCONTAMINACIÓN(ELECTROREMEDIATION) Esta técnica es aconsejable para el tratamiento de suelos de baja permeabilidad contaminados por mezclas de residuos que puedan incluir tanto metales como un gran número de compuestos orgánicos polares. Este tratamiento de electrodescontaminación se basa en la aplicación de una corriente continua de baja intensidad entre una serie de electrodos insertados en un suelo contaminado y saturado generalmente con agua, que actúa como medio conductor. Como resultado de la aplicación de la corriente eléctrica, los contaminantes, en función de su carga eléctrica, son transportados a través de la fase fluida hacia el ánodo o hacia el cátodo, acumulándose en los compartimentos en los que se encuentran los electrodos. La figura 2.4, muestra el procedimiento básico de la técnica de electrodescontaminación. Capítulo 2.Clasificación de las Técnicas de Tratamiento de Suelos Contaminados 58 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Figura 2.4 . Proceso electrocinético de recuperación de suelos;KƌƚŝnjĞƌŶĂĚĞƚĂůϮϬϬϳͿ Entre sus ventajas se incluyen su bajo consumo energético, el control sobre la dirección del flujo del agua y de los contaminantes disueltos y la acumulación de los contaminantes en los electrodos para su posterior eliminación ;WĂŐĞ Ğƚ Ăů ϮϬϬϮͿ, utilizando resinas de intercambio iónico o mediante bombeo ;^ŵŝƚŚĞƚĂůϭϵϵϱͿo redisolviéndolos invirtiendo la polaridad durante pequeños intervalos de tiempo ;WĂnjŽƐĞƚĂůϮϬϬϲͿ. 2.1.10. FITORRECUPERACIÓN(PHYTOREMEDIATION) Se trata de un proceso que utiliza plantas para eliminar, transferir, estabilizar, concentrar y/o destruir contaminantes (orgánicos e inorgánicos) en suelos, lodos y sedimentos, y puede aplicarse tanto in situ como ex situ. Estas técnicas pueden aplicarse para tratar suelos contaminados por metales ;şĞnj >ĄnjĂƌŽ ϮϬϬϴͿ, pesticidas, disolventes, explosivos, hidrocarburos del petróleo, etc. si bien presentan ciertas limitaciones como la profundidad del suelo a tratar, la concentración de contaminantes (en ocasiones pueden resultar tóxicas para la planta) y la toxicidad y biodisponibilidad de los productos de degradación, ya que pueden movilizarse y bioacumularse en animales éxito de este tratamiento está Capítulo 2.Clasificación de las Técnicas de Tratamiento de Suelos Contaminados 59 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos controlado por la selección de las especies vegetales adecuadas para recuperar un suelo determinado, así como por la cuidada selección de enmiendas (materia orgánica, agentes quelantes, cal, etc.) que permitan mejorar las propiedades del suelo y fomenten la supervivencia y el crecimiento de las plantas ;ůĞŵĞŶƚĞĞƚĂůϮϬϬϱͿ La fitorrecuperación es un procedimiento que no perturba en gran medida el suelo o el paisaje y resulta de bajo coste y de fácil aplicación, aunque presenta inconvenientes como que la lentitud del proceso y estar limitado a suelos poco profundos. En caso de existir elevadas concentraciones de contaminantes, éstas pueden ser tóxicas para las plantas. A su vez, la biomasa resultante requiere de una buena gestión para impedir que los contaminantes entren en la cadena trófica ;KƌƚŝnjĞƌŶĂĚĞƚĂůϮϬϬϳͿ Las fitotecnologías de separación utilizadas en la fitorremediación de suelos contaminados son las siguientes ;ŚĂŶͲYƵŝũĂŶŽĞƚĂůϮϬϭϰͿ;DŽŽƐĂǀŝĞƚĂůϮϬϭϯͿ  Fitoextracción: Uso de plantas acumuladoras de elementos tóxicos o compuestos orgánicos para retirarlos del suelo mediante su absorción y concentración en las partes cosechables. Fitoinmovilización: Uso de las raíces de las plantas para fijar o inmovilizar los contaminantes en el suelo. Junto con la anterior, son técnicas de contención. Fitovolatilización Utilización de plantas para eliminar los contaminantes del medio a través de su volatilización, y para eliminar contaminantes del aire. Rizofiltración: Empleo de raíces para absorber contaminantes del agua y de otros efluentes acuosos Capítulo 2.Clasificación de las Técnicas de Tratamiento de Suelos Contaminados 60 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos 2.1.11. DESORCIÓN TÉRMICA A BAJATEMPERATURA Técnica utilizada para el tratamiento de suelos excavados que, calentados a temperaturas moderadas (170-290 ºC), permiten la eliminación de compuestos volátiles (90-99 %) o semivolátiles (40-60 %). El calentamiento del suelo puede realizarse por inyección a presión de aire caliente, por inyección de vapor de agua o por calentamiento por ondas de radio (radiofrecuencia). En general, esta técnica puede aplicarse para la separación de compuestos orgánicos de residuos, así como para suelos contaminados con creosota e hidrocarburos. Asimismo, puede usarse para tratar COVs no halogenados y gasolinas. Sin embargo, aparte de las emisiones gaseosas que se producen, y que hay que controlar, no es efectiva en zonas saturadas, suelos muy compactos o con permeabilidad variable. 2.2. TÉCNICAS DE DETOXIFICACIÓN/DESTRUCCIÓN DEL CONTAMINANTE 2.2.1. BIODESCONTAMINACIÓN(BIOREMEDIATION) La biorremediación tiene como objetivo degradar o transformar compuestos peligrosos, utilizando microrganismos (normalmente, bacterias heterótrofas y hongos), en otros menos dañinos como: CO2, agua, sales inorgánicas y/o biomasa. Desde hace tiempo, los tratamientos biológicos llevan siendo muy importantes en el tratamiento de aguas residuales, tanto industriales como urbanas, pero no ha sido hasta los últimos años cuando han empezado a implementarse de forma habitual en el tratamiento de aguas subterráneas y suelos ;h^ŶǀŝƌŽŵĞŶƚĂůWƌŽƚĞĐƚŝŽŶŐĞŶĐLJϮϬϬϬͿ Los microorganismos presentes en el suelo pueden utilizarse para la destrucción de contaminantes o transformarlos en otras sustancias menos peligrosas o de mayor movilidad. Esta estrategia biológica depende, sobre todo, de la capacidad de los microorganismos de utilizar los contaminantes como fuente de alimento y energía. La humedad en el suelo resulta fundamental para la evolución y desarrollo de los microorganismos presentes en él. Otros factores que condicionan los estudios de biorremediación son el pH y los nutrientes presentes en el suelo ;EĄƉŽůĞƐĞƚĂůϮϬϭϱͿ Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 2.Clasificación de las Técnicas de Tratamiento de Suelos Contaminados 67 2.3.1. SOLIDIFICACIÓN PORCEMENTACIÓN Estos procesos incorporan cemento portland o puzolanas (material de origen volcánico con aluminosilicatos) como agente de unión para formar una matriz sólida con el residuo. Para mejorar la eficacia del proceso, suelen añadirse arcillas y cal que darán lugar a la formación de geles de silicato y su posterior fraguado y endurecimiento. Los sistemas de solidificación y estabilización basados en la cementación han demostrado ser de los métodos más versátiles y adaptables, al obtenerse un sólido con excelentes propiedades en cuanto a su estabilidad tanto física como química. 2.3.2. VITRIFICACIÓN Se fundamenta en aumentar la temperatura del suelo hasta fundir el mismo para así encapsular cualquier componente peligroso (1200-1600 ºC). Con la vitrificación se forma un material, parecido al vidrio, de estructura no cristalina, que inmoviliza la mayoría de los contaminantes inorgánicos, pudiéndose producir también la volatilización y/o destrucción de los constituyentes, por lo que es necesario la instalación de sistemas para el tratamiento de los gases que se producen. Esta técnica debe aplicarse a suelos donde la permeabilidad sea muy pequeña para que la cantidad de aire que pueda ser atrapada en el producto vitrificado sea muy mínima y puede llevarse a cabo in situ o ex situ. Está especialmente indicada para tratar contaminaciones poco profundas ;<ŚĂŶĞƚĂů ϮϬϬϰͿ y a gran escala y se han conseguido resultados excelentes para confinar tanto contaminantes orgánicos como inorgánicos, reduciendo en gran medida su lixiviado del suelo. No obstante, tiene un coste y un consumo energético muy elevado y al modificar completamente el suelo se limita en gran medida su reutilización ;DƵůůŝŐĂŶĞƚĂůϮϬϬϭͿ La figura 2.6 recoge un esquema de la técnica de vitrificación. Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 2.Clasificación de las Técnicas de Tratamiento de Suelos Contaminados 68 Figura 2.6. Técnica de vitrificación in situ (Ortiz Bernad et al. 2007). 2.3.3. FITOESTABILIZACIÓN. Empleo de plantas para reducir la biodisponibilidad de los contaminantes en el entorno, mejorando las propiedades físicas y químicas del medio. Esta técnica determina el uso de plantas que limitan la movilidad y biodisponibilidad de los contaminantes presentes en el suelo debido a la producción en las raíces de compuestos químicos que pueden adsorber y/o formar complejos con las sustancias, inmovilizándolas así en la interfase raíces-suelo. Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 2.Clasificación de las Técnicas de Tratamiento de Suelos Contaminados 69 Como resumen final, la figura 2.7 muestra las diferentes tipos de técnicas más utilizadas en la limpieza de suelos contaminados y los contaminantes eliminados con la aplicación de las mismas. Figura 2.7.- Clasificación de las técnicas de tratamiento en función del tipo de limpieza Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 2.Clasificación de las Técnicas de Tratamiento de Suelos Contaminados 70 2.4. BIBLIOGRAFÍA ASANTE-DUAH, D.K., 1996. Managing Contaminated Sites: Problem Diagnosis and Development of Site Restoration. Wiley, New York, NY. AVOGADRO, A. and RAGAINI, R.C., 1994. Technologies for Environmental Cleanup: Toxic and Hazardous Waste Management. Kluwer Academic Publishers. the Netherlands. BARBOSA AMAYA, H.F., 2011. 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El objetivo de esta técnica es retirar los vapores de contaminantes volátiles de la zona insaturada, sin excavarla, generando a través del suelo un gradiente de presión generado mediante soplantes, que facilite la volatilización de los contaminantes ;ŽƌƌŽŶƐŽƌŽ&ĞƌŶĄŶĚĞnj ϮϬϬϵͿ. El aire que penetra desde el exterior arrastra los vapores y los conduce hasta los pozos de extracción desde donde se llevan a la superficie, para su tratamiento posterior. La extracción de vapores del suelo (SVE) se ha convertido en una de tecnologías de descontaminación más ampliamente utilizadas para el tratamiento de compuestos orgánicos volátiles (COV) en la zona no saturada del suelo. Cuando se aplica correctamente es una de las más rentables ;ŝdžŽŶĞƚĂůϮϬϬϲͿ El sistema SVE consta básicamente de: • Pozos de vacío/extracción que penetran en el suelo contaminado • Canalizaciones para la circulación de los gases hacia el sistema de descontaminación • Unidad separadora de gases y líquidos • Bomba de extracción o sea el compresor de vacío • Unidad depuradora de los gases Capítulo 3. Extracción de vapores a vacío 76 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos La figura 3.1 muestra un esquema de la técnica de SVE. Figura 3.1. Esquema de la técnica de extracción de vapores a vacío. Los costes del tratamiento de los gases se pueden elevar hasta el 50% del coste total de operación, por lo que se han estudiado diversas alternativas como la condensación por refrigeración, la biodegradación o la oxidación química. La técnica de extracción de vapores a vacío se suele aplicar en aquellos casos donde el contaminante se encuentra retenido en la zona insaturada del suelo, pudiéndose encontrar básicamente en cuatro fases bien diferenciadas que son: • retenido en el sólido • disuelto en la fase acuosa • como vapor en la fase gaseosa • como fase líquida no acuosa (Non-Aqueous Phase Liquid, NAPL) La extracción de vapores solo resulta efectiva sobre la fase vapor, mientras que su acción sobre las restantes fases es consecuencia de la transferencia del contaminante que contienen al producirse su desequilibrio con la fase gaseosa que está siendo renovada con aire no contaminado. Por esta razón, es de especial interés para el diseño de esta técnica conocer los fenómenos de equilibrio y transporte que se dan entre estas cuatro fases, así como las variables que gobiernan a estos y al movimiento del aire en el suelo. Capítulo 3. Extracción de vapores a vacío 83 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos 1 / n 3.3. INTERACCIÓN SUELO CONTAMINANTE. Los equilibrios de sorción suelo-contaminante pueden ser sólido-líquido y sólido-gas, equilibrios que se ven afectados ampliamente por el contenido en materia orgánica del suelo. Los suelos con bajo contenido en materia orgánica y con humedad superior al 2% en peso de agua presentan poca tendencia a adsorber compuestos apolares, ya que se establece un equilibrio de competencia, donde el agua, frecuentemente más polar que los contaminantes orgánicos, presenta mayor tendencia a ser adsorbida por las superficies minerales. Por el contrario, en suelos con muy baja humedad, el coeficiente de partición de un compuesto orgánico entre el sólido y la fase vapor puede ser varios órdenes de magnitud mayor que el coeficiente de distribución del mismo compuesto entre el sólido y la fase acuosa ;ŚŝŽƵϭϵϴϵͿ En suelos y sedimentos de naturaleza orgánica, la isoterma de equilibrio de los compuestos orgánicos apolares a bajas concentraciones es, generalmente, lineal, describiéndose por un único coeficiente de distribución KSW o KSG, según sea equilibrio sólido-líquido o sólido-gas. K = CS[3.4] K =CS[3.5] SW W SG G donde CS es la concentración del compuesto retenido sobre el sólido, CW es la concentración en la fase líquida y CG es la concentración en la fase gaseosa. Para concentraciones elevadas la isoterma se aparta de la linealidad y habitualmente puede describirse mediante la ecuación de Freundlich: CS = K F Ceq [3.6] siendo KF y 1/n son constantes empíricas y Ceq es la concentración de contaminante en equilibrio en la fase acuosa ó vapor. Estos coeficientes dependen tanto del tipo de suelo como del contaminante, lo que les confiere una alta especificidad. C C Capítulo 3. Extracción de vapores a vacío 84 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Debido a la influencia que tiene el contenido en materia orgánica del suelo sobre la adsorción de compuestos orgánicos apolares, los coeficientes de partición se suelen normalizar con respecto al contenido porcentual de carbono orgánico del suelo (foc), parámetro sencillo de obtener en el laboratorio: K =KSW [3.7] OC OC Así, los coeficientes de distribución KSW y KSG pueden ser calculados fácilmente a partir de la medida de fOC, aprovechando la buena correlación que existe, para cada compuesto, entre su KOC y el correspondiente coeficiente de reparto octanol/lagua (KOW) ;DĂƌƐŝůLJϭϵϴϲͿ Según este coeficiente de reparto (KOW) las moléculas con mayor número de átomos de carbono presentan una mayor tendencia a ser retenidas, lo cual puede explicar la menor movilidad que presentan los compuestos más pesados y la disminución que sufre su constante de Henry efectiva en presencia de la fase sólida orgánica. f Capítulo 3. Extracción de vapores a vacío 85 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos 3.4. VARIABLES ESPECÍFICAS DEL LUGAR Y DISEÑO DE CAMPO Una de las principales ventajas de esta técnica se encuentra en el diseño relativamente simple y en el empleo de materiales de fácil disponibilidad y de uso general en el transporte de fluidos (tuberías de PVC, válvulas, bombas, etc.). Todos estos factores determinan su mayor aplicación frente a otras técnicas que pueden requerir un diseño más complejo o un equipo más específico, tal como ocurre en los casos de la biodescontaminación o lixiviación in situ. Sin embargo, a pesar de la sencillez de la técnica, sólo mediante un adecuado conocimiento de los procesos que se desarrollan en el suelo puede optimizarse el diseño para que el sistema actúe con la máxima eficacia. Este objetivo significa alcanzar los requerimientos de limpieza del suelo del modo más rápido y económicamente competitivo. Para ello, será fundamental el conocimiento de los tres factores principales que determinan la efectividad del sistema: la composición y características del contaminante y del suelo; el camino que sigue el flujo de aire y su velocidad; y la localización de la contaminación respecto a éste. El diseño de un sistema de descontaminación mediante vacío debe orientarse a maximizar la intersección del recorrido del aire, a una velocidad adecuada, con la zona contaminada, en definitiva, a lograr la máxima transferencia del contaminante desde las distintas fases en que se encuentra en el suelo hasta el aire en circulación. Evidentemente, para conseguirlo, será necesario permitir el máximo contacto del aire con el contaminante y que la velocidad con que el primero circula se encuentre en correspondencia con la velocidad de transferencia desde las distintas fases del segundo. Por otra parte, las condiciones de operación deberían elegirse para optimizar la eficacia de eliminación del contaminante y reducir costes. En este sentido, existen propuestas con un enfoque coste-riesgo para el diseño de sistemas de extracción de vapores de vacío, que tienen en cuenta las incertidumbres en las propiedades del suelo. Esta metodología de diseño se basa en el desarrollo de tres modelos distintos: simulación hidrogeológica (flujo de gas en el suelo y transporte de vapor), modelo sobre incertidumbre de parámetros del suelo (permeabilidad, porosidad, etc.) y un modelo de decisión, basado en una función objetivo de valoración de costes ante el riesgo de no alcanzar el grado de descontaminación propuesto ;ĂƌŶĞƐĞƚĂůϮϬϬϬͿ Capítulo 3. Extracción de vapores a vacío 86 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos En la práctica, una vez estimado el grado inicial de contaminación y determinadas las propiedades del suelo, se realiza el diseño del sistema de acuerdo a las siguientes etapas: • Selección del sistema: pozo vertical, horizontal, zanja, etc... • Configuración de los pozos: determinación del número de pozos o zanjas y de la profundidad y tamaño de la zona de succión. • Selección de los sistemas auxiliares de control de flujo del aire: empleo de capas impermeables, pozos pasivos y sistemas de bombeo de agua. • Selección del equipo complementario de tratamiento de los efluentes en superficie. • Técnicas complementarias de la SVE. 3.5. SELECCIÓN DEL SISTEMA Existen las siguientes opciones disponibles: ;ZŽĚƌşŐƵĞnjDĂƌŽƚŽĞƚĂůϭϵϵϱďͿ Pozos verticales. Son los más ampliamente utilizados. Normalmente se construyen con tubos perforados de PVC de 2 a 12 pulgadas de diámetro, dependiendo del flujo, siendo los de 6 pulgadas los más comunes. Una vez realizada la perforación del terreno, el espacio anular comprendido entre el suelo y el tubo (sellado éste en su parte inferior) se rellena con grava o arena gruesa en la zona de succión, a través de la que se evacúa el aire junto con el contaminante. Por otra parte, para impedir la entrada de aire a través del propio pozo, la parte superior que rodea la perforación, de profundidad variable, se recubre con un lecho de bentonita o de bentonita-cemento, contemplándose, además, una cubierta de hormigón. Este sistema de pozos verticales es el más adecuado para lugares en los que la contaminación se encuentre en zonas profundas (>4 m.) ;ĞŶŶĞĚƐĞŶϭϵϴϳͿ. En la figura 3.3 se muestra un esquema tipo de pozo de extracción. Si se emplea un único pozo, éste deberá colocarse en el centro de la zona contaminada, y cuando se emplean varios, se colocan de tal modo que la totalidad de la zona contaminada pueda ser barrida por el aire. Capítulo 3. Extracción de vapores a vacío 87 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Figura 3.3. Características del pozo de extracción ;ŽƌƌŽŶƐŽƌŽ&ĞƌŶĄŶĚĞnjϮϬϬϵͿ Por otra parte, dadas las posibles fluctuaciones del nivel freático, el pozo puede llegar a penetrar en el agua subterránea, y la aplicación de vacío produciría, en ocasiones, succión de la misma, por lo que, si no se impide, se extraerá de los pozos más agua que vapor, con la consiguiente disminución de la eficacia. En tales circunstancias, resulta conveniente el sellado de la parte inferior de la zona de succión. Capítulo 3. Extracción de vapores a vacío 88 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Zanjas y Pozos Horizontales. Cuando el agua subterránea se encuentre cerca de la superficie es preferible recurrir a este tipo de sistema ya que minimiza el riesgo de succión de agua subterránea. Al mismo tiempo, este sistema permite cubrir un área mayor que en el caso de los pozos verticales, al producirse una distribución de velocidades de aire en el suelo mucho más homogénea. Además, su instalación se efectúa rápida y fácilmente cuando no hay obstáculos superficiales ni subterráneos. Una vez abierta la zanja, se coloca en su interior la tubería perforada, envuelta en tela filtrante para impedir que los finos taponen la tubería de drenado. Posteriormente, la zanja se rellena con grava y la superficie, por lo general, se sella con bentonita, asfalto u otras barreras hechas manualmente para impedir la infiltración del agua de lluvia y los cortocircuitos de las corrientes de aire. La figura 3.4 muestra un esquema de zanjas y pozos horizontales. Figura 3.4. Pozos horizontales para nivel freático de 1 a 3 m ;ŽƌƌŽŶƐŽƌŽ&ĞƌŶĄŶĚĞnjϮϬϬϵͿ Capítulo 3. Extracción de vapores a vacío 89 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Los pozos horizontales también pueden instalarse, sin excavación ni relleno, usando técnicas especiales en las que para los tubos de perforación se utilizan uniones flexibles. Aunque aún no han sido muy empleados, en EE.UU. hay ya algunas empresas especializadas en este tipo de sistemas, que presentan una serie de ventajas con respecto a los pozos verticales entre las que destaca la posibilidad de actuar sobre zonas difíciles como, por ejemplo, debajo de edificaciones y en terrenos que presenten taludes o pendientes importantes o en zonas en los que los acuíferos subterráneos se encuentren a baja profundidad (2m) ;ŽŶŶŽƌϭϵϴϴͿ Por otra parte el sistema de pozos horizontales es también preferible a la hora de la limpieza de suelos excavados. Esta opción, que no es realmente una técnica in-situ sino on-site, se emplea para suelos que han tenido que excavarse por alguna razón ajena al tratamiento, como suele suceder cuando sean necesarias reparaciones subterráneas. El procedimiento normal es excavar el suelo y amontonarlo sobre una o más tuberías perforadas de PVC, que están enterradas en grava y recubiertas por tela filtrante. Para impedir la volatilización de los contaminantes al ambiente y la infiltración de agua de precipitación, el suelo excavado debe aislarse con una cubierta de plástico, que se retira antes de comenzar a operar para permitir la entrada del aire. En algún caso de limpieza, aprovechando la circulación forzada del aire, se han combinado las técnicas de aireación y biodescontaminación ;ZŽĚƌşŐƵĞnjDĂƌŽƚŽĞƚĂůϭϵϵϱĂͿ en lo que se conoce como bioaeración in situ. Mediante este procedimiento, se han llegado a tratar volúmenes de 1500 m3 de suelo durante una operación de sustitución de tanques subterráneos, para lo que se ha dispuesto una pila de 50 m de longitud, 15 m de ancho y 4 m de alto. En este caso, se utilizaron 8 tubos, separados 6 m y colocados a una altura de 1,5 m ;ĞWĂŽůŝĞƚĂůϭϵϴϵͿ Capítulo 3. Extracción de vapores a vacío 90 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos 3.6. CONFIGURACIÓN DE LOS POZOS. Se trata de establecer tanto el número de pozos necesarios y su ubicación (espaciado), como la longitud y situación de la zona de succión. ;:ŽŚŶƐŽŶĞƚĂůϭϵϵϰͿ describen los métodos más comunes de diseño de sistemas de SVE. Estos autores afirman que es una práctica común determinar el número y ubicación de los pozos de extracción ubicando en un plano del emplazamiento a descontaminar círculos de radios iguales a un radio llamado de influencia (ROI). Mediante la colocación de pozos, las áreas combinadas de círculos de cada pozo cubrirán el área del suelo contaminado, como se puede observar en la figura 3.5. En el caso de extracción mediante pozos horizontales, rectángulos reemplazarían a los círculos indicados. En estos casos, la mitad de la longitud del lado más corto del rectángulo será considerado el radio de influencia. Figura 3.5. Diseño de pozos basado en el Radio de Influencia ;:ŽŚŶƐŽŶĞƚĂůϭϵϵϰͿ Capítulo 3. Extracción de vapores a vacío 91 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos El Radio de Influencia de cada pozo se determina, normalmente, por uno de los siguientes métodos: empíricamente, método gráfico o con un enfoque semianalítico ;:ŽŚŶƐŽŶ Ğƚ Ăů ϭϵϵϰͿ Selección empírica En este caso, el diseñador del sistema de extracción de vapor hace una conjetura basada en la experiencia anterior. Convencionalmente, pozos de menor profundidad, suelos menos permeables y aplicación de equipos que generen menores presiones de vacío, corresponden a valores inferiores de radios de influencia. Método gráfico En este enfoque, el Radio de Influencia se determina analizando gráficamente los datos recogidos en un sistema experimental ;:ŽŚŶƐŽŶĞƚĂůϭϵϵϰͿ. La prueba piloto se puede llevar acabo mediante: a) la instalación de un pozo de extracción de vapor (diseñado para maximizar el flujo de vapor a través de la zona a tratar b) retirar los vapores del pozo de extracción a una velocidad constante c) medir en estado estacionario la tasa de flujo de vapor y vacío en la cabeza del pozo de extracción, Capítulo 3. Extracción de vapores a vacío 92 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Figura 3.6. Método gráfico para determinación de Radio Influencia con datos de ensayo piloto ;:ŽŚŶƐŽŶĞƚĂůϭϵϵϰͿ Método semianalítico Con este enfoque, los datos de la prueba piloto se utilizan por primera vez para calibrar los modelos de flujo de vapor y, luego, se usan los modelos para predecir el Radio de Influencia. El enfoque más común para el diseño de campo es determinar la distancia desde el pozo donde el vacío es crítico. El volumen contenido dentro de este radio se conoce como de la Zona de Influencia (ZOI). Un problema común asociado con la presión de diseño es sobreestimar la ZOI del pozo de extracción. Esto puede producir zonas muertas donde hay poco o ningún flujo de aire significativo. Además, los diseños basados únicamente en la distribución de la presión en la zona no saturada descuidan el hecho importante de que un diferencial de presión medido puede no corresponderse con el flujo de vapor significativo hacia el pozo de extracción ;:ŽŚŶƐŽŶĞƚĂůϭϵϵϰͿ;ŝdžŽŶĞƚĂůϮϬϬϲͿ El método de diseño de un sistema SVE mediante la colocación de los pozos de acuerdo con el Radio de Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 3. Extracción de vapores a vacío 99 Figura 3.8. Flujo de aire sin y con recubierta ;ŽƌƌŽŶƐŽƌŽ&ĞƌŶĄŶĚĞnjϮϬϬϵͿ Como se ha indicado anteriormente, los recubrimientos impermeables pueden utilizarse para impedir la entrada de agua a través de la superficie, aunque su principal misión es la de impedir que el aire penetre por la zona próxima al pozo de extracción (donde mayor es el gradiente de presión), forzándolo, de esta manera, a recorrer una distancia mayor y, por lo tanto, a barrer un mayor volumen de suelo. Con el empleo de estas capas impermeables, además de reducirse las diferencias entre los tiempos necesarios para alcanzar los niveles de limpieza requeridos en las distintas regiones del suelo, se reduce la infiltración del agua de lluvia, por lo que la cantidad de vapor de agua extraída, junto con el contaminante, será menor, minimizando, de esta forma, la producción de corrientes laterales en el separador aire-agua del equipo de tratamiento de efluentes. Asimismo, las capas impermeables también reducen las emisiones desde el suelo al aire ;:ŽŚŶƐŽŶϭϵϴϵͿ En cuanto a su efecto sobre el radio de influencia, éste aumenta en función del tamaño relativo de la capa impermeable, al tiempo que, para un vacío aplicado constante, disminuye el caudal de aire que llega al pozo debido a los menores gradientes de presión. Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 3. Extracción de vapores a vacío 100 Dependiendo de las características del lugar pueden emplearse como capa impermeable diferentes materiales. Los más utilizados son los rollos de membrana flexible, dado que pueden ser extendidos y recogidos con suma facilidad cuando el tratamiento haya finalizado. Estas láminas pueden ser de diferentes materiales, siendo el más común el polietileno de alta densidad (HDPE), que se utilizan con frecuencia en operaciones que llevan implícitas el aislamiento de productos o de terrenos, como ocurre en el caso de los vertederos controlados. Una alternativa al empleo de polímeros sintéticos puede encontrarse en la utilización de lechos de arcilla o bentonita de diferentes espesores, según los casos. Su mayor inconveniente reside en la dificultad de su separación del suelo con el que está en contacto para su reutilización. Asimismo, con esta misma función puede emplearse material asfáltico, sobre todo en lugares que ya se encuentran previamente pavimentados o que van a serlo, como ocurre con emplazamientos comerciales o industriales. Estos sistemas de control del flujo de aire pueden combinarse. En algún caso, puede ser interesante impermeabilizar la totalidad de la superficie, obligando al aire a entrar exclusivamente por los pozos de inyección o pasivos. Esta situación, que permite un mejor control sobre la distribución de las líneas de corriente, puede resultar inevitable si las capas impermeables superficiales están ya presentes, como sucede, por ejemplo, en zonas urbanas asfaltadas. Sistema de bombeo de agua. El vacío inducido en la zona insaturada por los pozos de extracción origina en sus proximidades un ascenso en el nivel de la superficie del agua subterránea aproximadamente igual al vacío existente en ese punto expresado como cm de agua. Esto puede dar lugar a que el agua subterránea se mezcle con el aire y sea extraída por la bomba de vacío, teniendo que ser eliminada posteriormente de la corriente gaseosa por el separador aire-agua, antes del paso de la misma por el sistema de tratamiento del vapor contaminante. Para impedir esta entrada de agua subterránea, Kemblowski sugiere que debe emplearse un vacío máximo de 50 cm de agua con objeto de minimizar el ascenso del nivel (Kemblowski 1989) Como alternativa pueden emplearse pozos de bombeo para producir un descenso del nivel freático en la proximidad de los pozos de extracción, de modo que, si la contaminación se encuentra justo por debajo de la superficie original de agua, con una velocidad de bombeo adecuada, los contaminantes quedarán retenidos, en Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 3. Extracción de vapores a vacío 101 su mayor parte, en la nueva zona de succión capilar originada, por lo que quedarán expuestos a la corriente de aire y podrán ser volatilizados. Esta última forma de operar hace que la técnica de SVE se convierta en un complemento eficaz de los sistemas de bombeo y tratamiento. 3.8. EQUIPOS DE TRATAMIENTO EN SUPERFICIE. La corriente gaseosa que abandona los pozos de extracción puede contener humedad (nieblas) y partículas finas que pueden dañar los equipos de tratamiento en superficie, por lo que es necesario el empleo de algún sistema de separación de los mismos. Los procedimientos más habituales son los basados en la disminución de la velocidad de la corriente y/o en su cambio de dirección para provocar la separación, bien por gravedad o bien por impacto sobre las paredes del recipiente, de las partículas o gotas de mayor tamaño. La refrigeración de estos sistemas permite, a su vez, la condensación de la mayor parte del vapor de agua. Aunque durante este pretratamiento de la corriente gaseosa efluente pueden condensar algunos vapores de contaminantes, prácticamente lo que se elimina es el agua líquida arrastrada y el agua condensada desde la fase vapor, que se descarga a un sistema apropiado para su tratamiento. Por otra parte, para el control de las emisiones atmosféricas, los contaminantes orgánicos arrastrados por el aire, deben eliminarse de la corriente gaseosa hasta los niveles exigidos por la legislación medioambiental vigente. Para el tratamiento de la fase vapor existen diferentes opciones, entre las que se encuentran la adsorción sobre carbón activo granulado, la incineración, la oxidación catalítica, el empleo de motores de combustión interna y la biodegradación. En última instancia puede efectuarse la descarga directa cuando la concentración de contaminante en la fase gaseosa es lo suficientemente reducida.) Capítulo 3. Extracción de vapores a vacío 102 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos 3.8.1. EQUIPO DE BOMBEO Y CONDUCCIONES La creación de un vacío en suelo puede realizarse bien mediante el empleo de una soplante con desplazamiento positivo, de una soplante centrífuga o de una bomba de vacío En este sentido, las soplantes centrífugas se utilizan con más frecuencia que las bombas de vacío. Estos equipos provocan una diferencia de presión entre las corrientes de entrada y salida de aire como resultado de la aplicación de un vacío en el subsuelo ;ZŽĚƌşŐƵĞnjDĂƌŽƚŽĞƚĂůϭϵϵϴͿ A la hora de la elección y diseño de la bomba, el factor más importante es la determinación del vacío necesario para que, con un caudal adecuado de aire en el suelo, se consiga la descontaminación del mismo sin que el tiempo de limpieza se haga excesivamente grande. Evidentemente, este factor dependerá de la extensión de la zona a tratar y de la permeabilidad del suelo al aire. Además, también debe tenerse en cuenta las pérdidas de carga producidas a través de las conducciones y de los sistemas de tratamiento de los efluentes. En la bibliografía se encuentran diferentes valores de los niveles de vacío a utilizar y con un intervalo muy amplio (10-350 mm Hg). En este sentido, se han establecido unos valores indicativos, según el tipo de suelo, para un caudal equivalente de aire; dichos valores se encuentran comprendidos entre los 50-110 mm Hg para suelos de grava y arena y los 410 mm Hg de los suelos arcillosos. Hay otras consideraciones que han de tenerse en cuenta a la hora de la elección del equipo de bombeo entre las que la seguridad debe ser una de las primeras, sobre todo, en lugares en los que puedan encontrarse gases con carácter explosivo. En estos casos, deben utilizarse equipos que prevengan o minimicen las fugas de vapor, ya que debe tenerse en cuenta que al trabajar a vacío la menor presión de trabajo favorece una mayor evaporación de los contaminantes. Asimismo, debe evitarse, en lo posible, la formación de chispas en los equipos de bombeo mediante la utilización de equipos especiales (bombas de vacío con sellados de líquido que evitan el contacto metal-metal). En cuanto al equipamiento exterior deben considerarse, entre otros aspectos, los relativos a la humedad y temperatura de la corriente. Al alcanzar el aire el pozo de extracción, se encuentra a la temperatura del subsuelo, la cual varía muy poco a lo largo del año, y prácticamente saturado de humedad o incluso conteniendo nieblas. Por ello cuando la temperatura del exterior es inferior a la media anual (invierno), pueden producirse fenómenos importantes de condensación de agua en los conductos exteriores que dificulten el funcionamiento de la soplante. Es por ello que los mismos suelen instalarse Capítulo 3. Extracción de vapores a vacío 103 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos con una cierta inclinación incluyendo la instalación de trampas de líquidos. Por otra parte, el efecto de compresión en la soplante produce, por un lado, un aumento en las presiones parciales y, por otro, un incremento de la temperatura de la corriente, lo que normalmente conlleva una disminución de la humedad relativa del aire. Estos fenómenos tienen efectos contrapuestos sobre el comportamiento de las unidades de tratamiento de gases, sobre todo cuando éstas consisten en lechos de carbón activo: el incremento de temperatura suele traducirse en una menor eficacia de adsorción, pero la disminución de la humedad relativa puede evitar ciertos problemas que surgen cuando las condiciones de humedad son próximas a las de saturación. Teniendo en cuenta todos estos factores puede decidirse la instalación de unidades de refrigeración de aire con posterioridad a la soplante, antes de las unidades de tratamiento. La conducción usada para conectar los pozos con la soplante y la unidad de control de las emisiones puede ser muy simple, en caso de utilizarse un único pozo, incrementando su complejidad cuando se utilizan sistemas de limpieza con varios pozos de extracción o donde pueden contemplarse pozos de inyección. Los tubos de conducción están fabricados normalmente de material plástico (PVC, polipropileno, polietileno de alta densidad) o de acero inoxidable. El diámetro de la conducción dependerá del caudal total de aire procedente de todos los pozos, si bien la utilización de conducciones con diámetros de 2 a 6 pulgadas es lo más frecuente. Las conducciones pueden estar al descubierto o enterradas. En cualquier caso, en zonas con climas fríos debe contemplarse el aislamiento de las mismas para prevenir condensaciones excesivas de vapor de agua o la formación de hielo. La parte inicial de la conducción general, que recoge las corrientes de vapor que proceden de los pozos, debe equiparse con un indicador de vacío, una válvula de regulación manual para el control de la soplante y de una válvula de entrada de aire. Con posterioridad a la soplante, deben contemplarse, también, indicadores de presión y de temperatura, así como una válvula de descarga automática. Por su parte, cada pozo individual debe disponer de una válvula de corte, de indicadores de vacío, de medidores de caudal de aire y de algún dispositivo de toma de muestras para el seguimiento de la operación de limpieza. Las válvulas situadas en los mismos tienen como misión fundamental el establecimiento de la actividad en los distintos pozos y del tiempo de funcionamiento en cada uno de ellos. Asimismo, estas válvulas pueden utilizarse también para reducir la concentración de contaminante en la corriente de vapor al permitir la entrada de aire Capítulo 3. Extracción de vapores a vacío 104 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos ambiente a través de las mismas, pudiéndose evitar, de esta forma, el tratamiento de la corriente efluente. No obstante, sólo será posible cuando los niveles de contaminante que se descargan se encuentren dentro de los límites establecidos por la regulación legal existente. 3.8.2. SISTEMADECONTROL La operación de un sistema de SVE ya instalado debe ser flexible, de forma que pueda alcanzarse, en principio, la máxima eliminación de contaminante en el menor tiempo de operación posible. En este sentido, resultan fundamentales los sistemas de monitorización que suministran los datos necesarios para poder seguir la evolución del tratamiento de limpieza. Durante el período de puesta en marcha, deben vigilarse todos los puntos de indicadores de vacío, caudal etc., requiriéndose varias horas e incluso días, según la permeabilidad del suelo al aire, para alcanzar unas condiciones de caudal estacionarias. Después de este período, el seguimiento de la operación debe centrarse fundamentalmente en chequeos diarios para controlar el nivel de agua en los separadores aire-agua, en la vigilancia de la unidad de control de emisiones a la atmósfera y en las operaciones de mantenimiento de las soplantes o bombas utilizadas, especialmente en los comienzos del tratamiento. Para conocer la eficacia de los sistemas de limpieza mediante SVE y para determinar, en su caso, cuando debe darse por finalizada la operación, es necesario realizar la medida y el seguimiento de una serie de parámetros entre los que pueden destacarse: • Los caudales de aire de cada pozo de extracción o de inyección mediante el empleo de tubos de Pitot, rotámetros, etc. • Lecturas de la presión, mediante manómetros, de cada uno de los pozos, así como de los puntos de muestreo que se coloquen en la zona de tratamiento. • Las concentraciones y composición del vapor en cada pozo de extracción. Esta información, junto con los caudales de extracción, permitirá determinar la velocidad de eliminación (cantidad/unidad de tiempo) y la cantidad total de contaminante eliminada. Asimismo, para poder realizar un seguimiento de la reducción del contaminante en el suelo, deben realizarse medas periódicas del gas contenido en el mismo, tomadas de los distintos puntos de muestreo situados a diferentes distancias radiales desde el pozo de extracción. Capítulo 3. Extracción de vapores a vacío 105 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos • La temperatura del suelo y la temperatura ambiente. El seguimiento de la temperatura del suelo puede proporcionar información adicional sobre el proceso de biodegradación que puede estar ocurriendo, ya que un aumento de la temperatura es indicativo de tal fenómeno. • Elevación del nivel de la capa freática, sobre todo en aquellos casos en que ésta se encuentre próxima a la zona de succión del pozo. Las medidas del nivel de agua pueden realizarse con sensores electrónicos situados en pozos sellados al aire de tratamiento. • Otros datos de interés: fecha de las medidas, datos meteorológicos (presión barométrica, precipitaciones, etc.). Evidentemente, la velocidad de extracción del contaminante tiene una importancia fundamental en el comportamiento del sistema. En la mayoría de los casos estudiados, se ha comprobado que la velocidad de extracción de contaminantes es inicialmente alta disminuyendo progresivamente con el transcurso del tiempo. Esta disminución puede ser la señal de que el proceso de limpieza está controlado por un fenómeno de difusión del contaminante retenido en el suelo hacia la corriente de aire que lo atraviesa. En estos casos, para optimizar el proceso de limpieza, puede interrumpirse el funcionamiento de la bomba, lo que a su vez supone menores gastos de bombeo, para de esta forma restablecer el equilibrio entre las fases presentes en el suelo. Este método se conoce como funcionamiento intermitente o en pulsos, presentando, por lo general, una mayor eficacia de extracción (relación entre la masa de contaminante extraída por unidad de energía utilizada) que los casos de bombeo en continuo. Otro modo de resolver este problema consiste en operar con un caudal variable de forma que vaya adaptándose a lo largo del proceso de limpieza de acuerdo a los requerimientos del sistema. Esta regulación podrá ser más o menos flexible dependiendo del número de pozos de aspiración y pasivos de que se disponga, pudiéndose, en su caso, efectuar diferentes combinaciones que contemplen el funcionamiento alternativo de una parte de los pozos. De esta manera, aparte de conseguir un cambio en las direcciones de flujo de aire, se establece el tiempo necesario que permita la difusión del contaminante hacia el mismo. Capítulo 3. Extracción de vapores a vacío 106 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Por otra parte, como consecuencia de la circulación forzada de aire a través del suelo, se produce un aumento de la concentración de oxígeno en el mismo, por lo que se puede conseguir una mejora importante de los procesos de biodegradación que contribuyen también a la eliminación del contaminante orgánico de forma significativa. En función de los tipos de contaminante y de suelo, los procesos de actividad biológica pueden representar una contribución importante al proceso de limpieza, especialmente cuando se requiere alcanzar grados de eliminación elevados, ya que la velocidad de los procesos biológicos es menos sensible a la concentración de contaminante en el suelo que la velocidad de evaporación. En este sentido, para disminuir los costes de tratamiento de la fase vapor, Hinchee propone el diseño de sistemas específicos de SVE que contemplen como objetivo alcanzar la mayor contribución posible de los procesos de biodegradación respecto a los de volatilización del contaminante, técnica denominada de bioaireación ;,ŝŶĐŚĞĞϭϵϴϵͿ En el caso de que se sospeche la existencia de fase líquida no acuosa sobre la capa freática, puesto que la permeabilidad al aire en las regiones con alto contenido en agua es muy baja, debe procederse a] bombeo de la misma para producir un descenso del nivel freático, de modo que la fase orgánica quede en la zona insaturada generada facilitando de esta forma su exposición al aire. En cuanto a los niveles de limpieza requeridos, éstos se determinan previamente de acuerdo a las especificaciones o regulaciones sobre los niveles de contaminación tolerables para un lugar en concreto. La operación de limpieza se considera que ha finalizado cuando las muestras de suelo indican que la concentración residual de contaminante en el mismo se encuentra por debajo de los límites establecidos en la normativa correspondiente. Para confirmar dicha limpieza es preciso la realización de perforaciones para la toma de muestras en los lugares más apropiados, determinando la concentración de contaminante residual tanto en el suelo como en muestras de gas extraídas del mismo. Estas medidas suelen realizarse durante el período de limpieza, por lo que los datos que proporcionan las mismas permitirán posteriormente establecer las zonas más apropiadas para la última toma de muestras. Los análisis finales implican, por lo general, la determinación, mediante la técnica más adecuada en cada caso, de parámetros globales Capítulo 3. Extracción de vapores a vacío 107 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos tales como hidrocarburos de petróleo totales (TPH), compuestos orgánicos volátiles totales (VOCs) o aromáticos (BTXs). La medida de las concentraciones de contaminante en el vapor extraído proporciona información sobre la eficacia de eliminación del sistema. Una disminución de la concentración no siempre es una evidencia de que la cantidad de contaminante ha disminuido en el suelo significativamente, ya que hay otros fenómenos a los que se puede atribuir tales descensos como son la elevación de la capa freática, el aumento de retención de los contaminantes debido al secado del suelo, la difusión limitada por la presencia de zonas muertas o la aparición de cortocircuitos en la circulación del aire. Si la concentración total de vapor disminuye sin que exista un cambio de composición lo más probable es que se deba a alguno de los fenómenos señalados, pero si la disminución en la concentración se ve acompañada por un incremento en la proporción de los compuestos menos volátiles, es bastante posible que se haya producido una eliminación secuencial de mayor a menor volatilidad con el correspondiente cambio de composición en el contaminante residual. Así pues, cuando se establezcan los límites de limpieza para una técnica de SVE, será preciso tener en cuenta los posibles compuestos de alto peso molecular (menos volátiles) que puedan existir, ya que éstos resultarán más difíciles de movilizar quedando retenidos en su mayor parte en el suelo, como ocurre con los compuestos con diez o más átomos de carbono, presentes en una gasolina, por lo que entre un 25-35% de TPH pueden no ser eliminados por arrastre con aire. En numerosas ocasiones, este fenómeno se tiene en cuenta a la hora de establecer los criterios de limpieza. Así, por ejemplo, un sistema de operación de limpieza por extracción de vapores de un suelo contaminado por gasolina puede estar operativo hasta que no se detecten benceno, tolueno y xilenos en los vapores. La gasolina residual podría estar compuesta de grandes moléculas menos móviles que podrían no volatilizarse o extraerse tan fácilmente y que pueden representar o no un riesgo para la salud, por lo que debe considerarse que, dependiendo de los niveles de limpieza exigidos, la técnica de SVE puede no ser la apropiada para la eliminación de contaminantes hasta un nivel aceptable. Sin embargo, ha de tenerse en cuenta que, tras el intenso proceso de oxigenación experimentado por el suelo, es altamente probable que los hidrocarburos más pesados que permanecen en el mismo experimenten un proceso de biodegradación. Capítulo 3. Extracción de vapores a vacío 108 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos 3.8.3. SISTEMAS DE TRATAMIENTO DEL AIREEXTRAÍDO En caso de no incorporarse un sistema que contemple el tratamiento de la corriente vapor extraída antes de su descarga, se produciría una transferencia de la contaminación desde el suelo a la atmósfera. Aunque en principio puede pensarse que los riesgos medioambientales asociados con esta descarga son menores que los correspondientes a dejar los contaminantes en el suelo, debido a los fenómenos de dilución y dispersión atmosféricos, los problemas actuales, en cuanto a la calidad del aire, sobre todo en algunas áreas, y los impactos globales que hoy día se atribuyen a ciertas emisiones (hidrocarburos clorados, por ejemplo), hacen que sea necesario dotar al sistema de SVE de distintas técnicas de eliminación, lo que incrementa de forma notable el coste y la complejidad de la técnica. Por lo tanto, para el control de las emisiones atmosféricas, los contaminantes orgánicos arrastrados por el aire deben eliminarse de la corriente gaseosa hasta los niveles exigidos por la legislación medioambiental vigente. Existen un buen número de sistemas de tratamiento, la mayoría de los cuales han probado su efectividad en diversas aplicaciones industriales. Entre los mismos destacan la adsorción con carbón activo, la combustión mediante incineración, oxidación catalítica o en motor de combustión interna, la condensación y la biodegradación. En la figura 3.9 se muestra un esquema sobre el tratamiento de emisiones. Todas ellas deben ser capaces de tratar eficazmente el efluente con sus peculiaridades, entre las que cabe destacar los importantes cambios de concentración a lo largo del proceso de limpieza. Capítulo 3. Extracción de vapores a vacío 115 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos fases (SPSH). También se ha propuesto la utilización de estos métodos de calefacción como técnica complementaria en procesos de estabilización química que requieran calentamiento para poder llevarse a cabo. Capítulo 4.Procedimiento experimental en laboratorio 116 9 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos 3.10. BIBLIOGRAFÍA BARNES, D.L. and MCWHORTER, D.B., 2000. Design of Soil Vapor Extraction Systems Under Conditions of Uncertainty. Groundwater 38, nº 2. BENNEDSEN, M.B., 1987. Pollution Engineering,19 CHIOU, C.T., 1989. Theoretical Considerations of the Partition Uptake of Non-Ionie Organic Compounds by Soil Organie Matter. in Reaetions and Movement of Organie Ehemicals in Soils. SSSA Special Publication no. 22,. CONNOR, R.J., 1988. Pollution Engineering, 20. DEPAOLI, D.W., HERBES, S.E. and ELLIOTT, M.G., 1989. Performance of in-Situ Soil Venting System at Jet Fuel Spill Site. Soil Vapor Extraction Technology Workshop. 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Innovative Approaches to Water Allocation: The Potential for Water Markets Capítulo 4.Procedimiento experimental en laboratorio 117 9 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos HULING, S.G. and WEAVER, J.W., 1991. Dense Nonaqueous Phase Liquids. EPA Ground Water Issue. EPA/540/4-91-00. HUTZLER, N.J., MURPHY, B.E. and GIERKE, J.S., 1989. Review of Soil Vapor Extraction System Technology. Soil Vapor Extraction Technology Workshop. Edison, NJ. JOHNSON, M.D., 1989. Soil Bed Treatment. Soil Vapor Extraction Technology Workshop. Edison, NJ. JOHNSON, P.C. and ETTINGER, R.A., 1994. Considerations for the Design of in Situ Vapor Extraction Systems: Radius of Influence Vs. Zone of Remediation. KEECH, D.A., 1989. Surface Venting Research and Venting Manual by the American Petroleum Research Institute. Workshop on Soil Vacuum Extraction. Ada. KEMBLOWSKI, M.W., 1989. Application of Soil Vacuum Extraction. 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Limpieza De Suelos Contamiandos Mediante Aireación in Situ. (V) Sistemas De Bombeo, Control y Tratamiento De La Fase Vapor. Revista Ingeniería Química. Capítulo 4.Procedimiento experimental en laboratorio 118 9 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos TROWBRIDGE, B. and MALOT, J., 1990. Soil Remediation and Free Product Removal using in-Situ Vacuum Extraction with Catalytic Oxidation. 4th Annual Outdoor Action Conference on Aquifer Restoration, Groun Water Monitoring and Geophysical Methods. Las Vegas, NV. U.S. Enviromental Protection Agency, 1997. Analysis of Selected Enhancements for Soil Vapor Extraction. EPA/542/R-97/007, U.S. Environmental Protection Agency, Washington, D.C. U.S. Enviromental Protection Agency, 1990. Subsurface Contamination Reference Guide. Office of Emergency and Remedial Response. EPA 540/2-90/011. Washington D.C. U.S. Enviromental Protection Agency, 1986. 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La preparación de las muestras en laboratorio para proceder a caracterizar sus propiedades físicas se realiza siguiendo las indicaciones de la norma UNE 103100. “Preparación de muestras para ensayos de suelos”. Se secan las muestras a una temperatura de 60 ºC hasta que se puede deshacer por medio de un mazo de goma. Se dividen las muestras en porciones iguales mediante un cuarteador, hasta obtener la cantidad de muestra necesaria. Se tamiza para estudiar la fracción con un diámetro inferior a 5 mm. 4.1. CARACTERIZACIÓN FÍSICA DEL SUELO Se determinan los siguientes parámetros: Densidad real o relativa de las partículas del suelo: Su medida se realiza mediante un picnómetro de sólidos, el cual se pesa una vez relleno con agua destilada (PA) por encima de la línea de enrase M1; se expulsan las burbujas de aire y se introduce durante 1 hora en un baño termostático a una temperatura constante entre 20 ºC y 25 ºC. Transcurrido ese tiempo se enrasa cuidadosamente dentro del baño. Se extrae el picnómetro del baño, se seca con papel de filtro y se determina la masa M2. Se extrae el cuello del picnómetro, se vacía aproximadamente la mitad del contenido de agua, se seca de nuevo y se determina la masa sin colocar el cuello. Con ayuda de un embudo se introduce la muestra de suelo en el picnómetro y se determina la masa M3, correspondiente al picnómetro sin cuello, medio lleno de agua y con la muestra de suelo dentro. Una vez colocado el cuello del picnómetro se eliminan las burbujas de aire ocluídas, Se rellena con agua destilada hasta el enrase y se introduce de nuevo, durante una hora, en el baño termostático a la temperatura de 20 ªC. Transcurrido el tiempo se vuelve a enrasar sin sacar el picnómetro del baño; se retira del mismo, se seca con papel de filtro y se determina su masa M4. Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 4.Procedimiento experimental en laboratorio 122 9 La densidad relativa de las partículas del sólido a la temperatura de 20 ºC queda establecida por la siguiente expresión: [4.1] Densidad aparente: Tiene por objeto determinar la densidad de un suelo definida como el cociente entre la masa de dicho suelo y su volumen. En su determinación se realiza diferentes medidas de volumen de distintas fracciones de sólido previamente pesadas, en una probeta bien seca de 100 ml de capacidad. La media de la relación peso/volumen establece el valor de la misma. Porosidad teórica: La densidad aparente está relacionada con la porosidad (porcentaje de huecos en un suelo). Este parámetro proporciona una idea de la compactación del suelo y, por lo tanto de la facilidad de circulación de agua y aire a través del mismo. Dicha relación viene dada por: 100.1(%) sólido aparente ρ ρ θ −= [4.2] Porosidad experimental del lecho: Para determinar la porosidad experimental de un lecho, se emplea una probeta a la que se le añade un volumen de agua destilada conocido V0. A continuación se añade una cantidad de suelo, con lo que se forma un lecho poroso de volumen V1, quedando por encima del mismo un volumen de agua V2. Por tanto, la porosidad de dicho lecho queda definida por la siguiente ecuación: 100.(%) 1 20 V VV − = θ [4.3] Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 4.Procedimiento experimental en laboratorio 123 9 P P Materia orgánica: El contenido en materia orgánica se obtiene mediante el peso de P gramos de suelo seco tratados con agua oxigenada (50% en volumen) y con relación suelo/disolución:1/3 en peso. Después de 10 minutos a temperatura ambiente, la mezcla se calienta al baño maría con agitación hasta evaporación total. Tras esto, se añade más agua oxigenada, esta vez en relación 1/1 y se vuelve a llevar a sequedad, después se seca en la estufa durante 24 h y pasado este tiempo se pesó el suelo (P1). La materia orgánica viene determinada por: % Materia orgánica = P - P1 ·100 [4.4] Humedad: Se pesan P gramos de suelo tamizado (φ ≅ 2 mm) y se introduce en una estufa a 110 ºC durante 24h. Transcurrido dicho tiempo se pesa el suelo seco (P1), de forma que: % Humedad = P - P1 ·100 [4.5] Permeabilidad del lecho: Se determina mediante la medida de los caudales de aire que atraviesan la columna conteniendo muestras de los suelos secas y el registro de las caídas de presión entre los extremos de la misma. Análisis granulométrico: Se realizó mediante tamizado con luces de malla en milímetros 4,76, 2, 0,42 y 0,08. Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 4.Procedimiento experimental en laboratorio 124 9 4.2. DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN EXPERIMENTAL EN LABORATORIO. En este apartado se describe tanto el procedimiento seguido en el laboratorio como los instrumentos y materiales utilizados para conseguir la descontaminación del suelo mediante la técnica de extracción de vapores a vacío. El equipo de descontaminación está formado por: • Un compresor de membrana que impulsa la corriente de aire que circula por toda la instalación. • Un estabilizador de presión que mantiene constante la presión a la entrada del sistema, además de permitir controlar el caudal de aire que atraviesa el lecho de material. • Una trampa de CO2, consistente en un lecho de lentejas de NaOH, que tiene como finalidad lograr evitar la precipitación de carbonatos en el sistema de control de humedad. • Un sistema de control de la humedad del aire, consistente en un recipiente relleno de sílice. • Una columna cilíndrica de vidrio de 22,1 cm de alto y 1,55 cm de diámetro interior, que contiene el lecho de suelo sometido a estudio. En cabeza de esta columna se instalan los elementos necesarios para permitir la inyección en fase líquida de la sustancia orgánica objeto de estudio a través de un septum. La salida de la columna está conectada directamente a un detector de ionización de llama (FID) mediante un tubo de cobre de 1/8 “ de diámetro y de 1 metro de largo. Este detector permite registrar de forma continua la concentración de la sustancia contaminante, en la corriente de aire que abandona la columna. El detector usado se encuentra instalado en un cromatógrafo de gases Pelkin-Elmer modelo Autosystem Gas Cromatograph. Las condiciones de análisis del detector son 200 º C de temperatura y una presión de trabajo para la corriente de aire de 4 Kg/cm2. La salida de señal analógica de este detector se transforma a señal digital en un convertidor analógico digital (Data Adquisition Target, DAT) que, a su vez, se envía por un puerto paralelo a un ordenador PC. La frecuencia de muestreo de este sistema de adquisición de datos depende en gran parte del tipo de ordenador empleado. En este Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 4.Procedimiento experimental en laboratorio 131 9 Tabla 4.6. Registros para obtención de permeabilidad neumática en instalación experimental sobre suelo procedente de emplazamiento en Mallorca Caudal (cm3/min) Presión (mmHg) Velocidad (m/s) P/L (Pa/m) 446,000 101,000 0,0065550 60142,986 451,000 102,000 0,0066285 60738,462 383,000 94,000 0,0056290 55974,661 387,000 95,000 0,0056878 56570,136 293,000 79,000 0,0043063 47042,534 234,000 74,000 0,0034392 44065,158 203,000 69,000 0,0029835 41087,783 160,000 60,000 0,0023516 35728,507 158,000 59,000 0,0023222 35133,032 132,000 57,000 0,0019400 33942,081 130,000 56,000 0,0019106 33346,606 95,700 51,000 0,0014065 30369,231 97,000 52,000 0,0014256 30964,706 73,000 48,000 0,0010729 28582,805 50,000 45,000 0,0007349 26796,380 25,000 42,000 0,0003674 25009,955 Figura 4.3. Recta regresión para obtención de permeabilidad neumática sobre suelo procedente de emplazamiento en Mallorca y = 1,70E-07 x - 0,0038 R2= 0,9968 0,0000 0,0010 0,0020 0,0030 0,0040 0,0050 0,0060 0,0070 0,0080 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 V (m/s) P/L (Pa/m) PERMEABILIDAD MALLORCA PERMEABILIDAD LÍNEA DE TENDENCIA Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 4.Procedimiento experimental en laboratorio 132 9 Tabla 4.7. Registros para obtención de permeabilidad neumática en instalación experimental sobresuelo procedente de emplazamiento en Murcia Caudal (cm3/min) Presión (mmHg) Velocidad (m/s) P/L (Pa/m) 25,300 5,000 0,0003718 2685,714 25,000 5,000 0,0003674 2685,714 25,500 6,000 0,0003748 3222,857 50,800 30,000 0,0007466 16114,286 50,300 30,000 0,0007393 16114,286 51,100 30,000 0,0007510 16114,286 92,000 91,000 0,0013521 48880,000 94,000 92,000 0,0013815 49417,143 93,000 93,000 0,0013668 49954,286 136,000 170,000 0,0019988 91314,286 140,000 171,000 0,0020576 91851,429 Figura 4.4. Recta regresión para obtención de permeabilidad neumática sobre suelo procedente de emplazamiento en Murcia y = 1,82E-08x + 0,0004 R2= 0,9897 0,0000 0,0005 0,0010 0,0015 0,0020 0,0025 0 22605 45210 67814 90419 113024 V (m/s) P/L (Pa/m) PERMEABILIDAD MURCIA PERMEABILIDAD LÍNEA DE TENDENCIA Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 4.Procedimiento experimental en laboratorio 133 9 Tabla 4.8. Registros para obtención de permeabilidad neumática en instalación experimental sobre suelo procedente de emplazamiento en Pontevedra Caudal (cm3/min) Presión (mmHg) Velocidad (m/s) P/L (Pa/m) 35,600 3,800 0,0005232 2041,143 35,300 3,800 0,0005188 2041,143 35,800 4,000 0,0005262 2148,571 50,100 27,200 0,0007363 14610,286 50,900 28,100 0,0007481 15093,714 51,400 28,100 0,0007554 15093,714 75,400 81,500 0,0011082 43777,143 75,900 80,200 0,0011155 43078,857 75,800 80,900 0,0011141 43454,857 100,200 162,300 0,0014727 87178,286 101,500 162,400 0,0014918 87232,000 Figura 4.5. Recta regresión para obtención de permeabilidad neumática sobre suelo procedente de emplazamiento en Pontevedra y = 1,10E-08x + 0,0006 R2= 0,9793 0,0000 0,0005 0,0010 0,0015 0,0020 0 22605 45210 67814 90419 113024 V (m/s) P/L (Pa/m) PERMEABILIDAD MURCIA PERMEABILIDAD LÍNEA DE TENDENCIA Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 4.Procedimiento experimental en laboratorio 134 9 Los valores de la permeabilidad neumática obtenidos en laboratorio se multiplican por la viscosidad del aire (180 up) para calcular la permeabilidad intrínseca de cada tipo de suelo, k (cm2). En la tabla 4.9 se indican las permeabilidades para cada tipo de suelo. Tabla 4.9. Permeabilidades para cada emplazamiento objeto de estudio Emplazamiento Permeabilidad neumática (m2 Pa-1 s-1) Permeabilidad intrínseca K (cm2) VALENCIA 2,44E-8 4,39E-9 MALLORCA 1,70E-7 3,06E-8 MURCIA 1.82E-8 3,24E-9 PONTEVEDRA 1.10E-8 1.98E-9 La clasificación textural de los suelos según la “Clasificación granulométrica de suelos del Departamento de Agricultura de Estados Unidos” (Capítulo 1.3) nos indican que tenemos un suelo limoso en Valencia, arenoso en Mallorca, arcilloso limoso en Murcia y arcilloso en Pontevedra. En la tabla 4.10 se muestran los resultados de los ensayos realizados sobre cada tipo de suelo a efectos de su caracterización física. Tabla 4.10. Propiedades físicas para los diferentes tipos de suelo objeto de estudio UNIDADES EMPLAZAMIENTO VALENCIA MALLORCA MURCIA PONTEVEDRA TIPO SUELO LIMOSO ARENOSO ARCILLA LIMOSA ARCILLOSO HUMEDAD SECO SECO SECO SECO PERMEABILIDAD NEUMÁTICA DEL LECHO (m2/Pa x s) m2/Pa x s 2,44E-08 1,70E-07 1,82E-08 1,10E-08 ALTURA LECHO cm 24,5 22,1 22,1 22,1 DIÁMETRO COLUMNA cm 1,55 1,55 1,55 1,55 MASA SUELO INTRODUCIDA gr 55,95 54,28 52,9 51,75 POROSIDAD LECHO vol/vol 0,54 0,5 0,52 0,55 DENSIDAD APARENTE LECHO gr/cm3 1,21 1,302 1,269 1,241 DENSIDAD DEL SÓLIDO gr/cm3 2,62 2,58 2,65 2,74 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 4.Procedimiento experimental en laboratorio 135 9 Una vez caracterizados físicamente los suelos procedentes de cada emplazamiento, se realizan una serie de experimentos en columna con lecho de cada tipo de suelo, mediante la inyección de una misma cantidad de gasolina de 98 octanos en todos los casos, para proceder, posteriormente, a la circulación de aire a través del sistema, con diferentes caudales previamente seleccionados, en función de la permeabilidad del lecho y de las condiciones de equilibrio. De tal forma que la corriente de aire genera un arrastre de los COVs procedentes de la gasolina inyectada en el lecho. 4.4.2. ECUACIÓN DE TRANSPORTE DEL CONTAMINANTE EN ELSUELO. Los resultados experimentales procedentes de los ensayos de laboratorio permiten obtener, para cada emplazamiento, una familia de curvas, en la que cada una de ellas representa la evolución frente al tiempo de la concentración de vapor de gasolina (COVs) en la corriente de aire que abandona la columna de suelo para cada uno de los caudales ensayados. A continuación se representan dichas familias de curvas para los 3000 primeros segundos, si bien, los ensayos de menor caudal se extendieron hasta más de 20000. Figura 4.6. Evolución frente al tiempo de la concentración de vapor de gasolina (COVs) en la corriente de aire que abandona la columna de suelo para diferentes caudales con suelo procedente de Mallorca 0.E+00 5.E-06 1.E-05 2.E-05 2.E-05 3.E-05 3.E-05 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 tiempo (s) C (gr/cm3 ) Mal 100 cm3/minuto Mal 200 cm3/minuto Mal 300 cm3/minuto Mal 400 cm3/ minuto Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 4.Procedimiento experimental en laboratorio 136 9 Figura 4.7. Evolución frente al tiempo de la concentración de vapor de gasolina (COVs) en la corriente de aire que abandona la columna de suelo para diferentes caudales con suelo procedente de Murcia Figura 4.8. Evolución frente al tiempo de la concentración de vapor de gasolina (COVs) en la corriente de aire que abandona la columna de suelo para diferentes caudales con suelo procedente de Pontevedra 0.0E+00 2.0E-05 4.0E-05 6.0E-05 8.0E-05 1.0E-04 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 tiempo (s) C (gr/cm3 ) Mur 25 cm3/minuto Mur 50 cm3/minuto Mur 100 cm3/minuto Mur 200 cm3/ minuto 0.0E+00 2.0E-05 4.0E-05 6.0E-05 8.0E-05 1.0E-04 1.2E-04 1.4E-04 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 tiempo (s) C (gr/cm3 ) Pon 25 cm3/minuto Pon 50 cm3/minuto Pon 100 cm3/minuto Pon 200 cm3/ minuto Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 4.Procedimiento experimental en laboratorio 137 9 Figura 4.9. Evolución frente al tiempo de la concentración de vapor de gasolina (COVs) en la corriente de aire que abandona la columna de suelo para diferentes caudales con suelo procedente de Valencia Como puede apreciarse, en todos los casos aparecen colas que se extienden durante un largo periodo de tiempo. Por otra parte, también se observa que mientras que en los emplazamientos de Mallorca (suelo arenoso) y Valencia (suelo limoso) existe un efecto apreciable del caudal sobre el tiempo al que se alcanza el valor máximo de la concentración de vapores de gasolina en el efluente, en los emplazamientos de Murcia y Pontevedra (suelos arcillosos) no se observa dicha influencia. Para facilitar el análisis de los resultados y disponer de un instrumento para predecir el comportamiento del sistema de SVE a escala de campo, los resultados experimentales pueden ser ajustados mediante modelos. Por ello a continuación se describen los aspectos básicos de la ecuación de transporte del contaminante en un medio poroso y su aplicación bajo las condiciones establecidas en los modelos de equilibrio local y de dos regiones (bizonal). Para describir adecuadamente el movimiento de compuestos volátiles no conservativos en el suelo es necesario conocer la evolución temporal de la concentración del compuesto de que se trate en cada punto del dominio estudiado. 0.00E+00 2.00E-05 4.00E-05 6.00E-05 8.00E-05 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 tiempo (s) C (gr/cm3 ) Val 25 cm3/minuto Val 50 cm3/minuto Val 100 cm3/minuto Val 200 cm3/ minuto Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 4.Procedimiento experimental en laboratorio 138 9 La distribución espacial de dicha concentración depende: a) del movimiento del fluido en la dirección del flujo (convección). b) de la propagación longitudinal y transversal del soluto (dispersión), que a su vez produce un incremento del volumen afectado por el contaminante en cuestión, con la consiguiente disminución de las concentraciones. c) de diversos procesos físicos o químicos que pueden implicar la desaparición del compuesto. El transporte convectivo o flujo másico es debido al movimiento pasivo de los vapores de contaminante arrastrados con la corriente de aire. La dispersión, por su parte, es debida a mecanismos de dispersión mecánica y difusión molecular. La dispersión mecánica incluye los procesos de mezcla provocados por las variaciones locales del módulo y de la dirección del vector velocidad, con respecto a su valor medio, debido a los diferentes tipos, tamaños y orientación de los poros. La difusión molecular es un proceso debido a la existencia de un gradiente de concentraciones del soluto, en el que éste se desplaza de zonas de alta concentración a zonas de baja concentración. El resultado de la influencia de todos los factores mencionados se plasma en la ecuación de transporte unidimensional en el suelo (medio poroso), que es una consecuencia de la condición de continuidad de masa en un volumen elemental: el balance neto de los flujos másicos de entrada y salida debe ser igual al cambio de masa por unidad de tiempo. La ecuación que representa al fenómeno es, por tanto: G z J t M− ∂ ∂ −= ∂ ∂ [4.6] Donde M es la masa de soluto por unidad de volumen de suelo (mg/L), J es el flujo de masa total del soluto por unidad de superficie y por unidad de tiempo y G es el consumo (transformación o degradación) de contaminante, expresado en masa por unidad de volumen y unidad de tiempo. Obviamente, el flujo másico total está constituido por la suma de los flujos másicos de convección, dispersión y difusión, ya comentados. Así: J =Jc +Jm +Jd[4.7] Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 4.Procedimiento experimental en laboratorio 139 9 Donde Jc es el flujo convectivo, Jm el flujo másico debido a la dispersión mecánica y Jd el flujo debido a la difusión molecular. El flujo convectivo puede relacionarse con la velocidad de circulación del aire en el suelo mediante la expresión: Jc = v θ C[4.8] Donde θ es la porosidad total del suelo (en caso de que toda ella sea apta para el transporte en la fase gaseosa), que habrá sido determinada durante su caracterización y v es la velocidad intersticial en línea recta de circulación de la corriente gaseosa. Por su parte el flujo debido a la dispersión mecánica puede calcularse a partir de la expresión: z C DJ mm ∂ ∂ −= θ [4.9] Donde Dm es el coeficiente de dispersión mecánica. El flujo difusivo puede ser calculado a partir de la ley de Fick aplicada en un medio poroso: z C DJ dd ∂ ∂ −= θ [4.10] Donde, en este caso, Dd representa el coeficiente de difusión de los vapores de gasolina en la fase gaseosa que ocupa los poros del suelo. Dado que estos dos flujos están impulsados por el gradiente de concentración del contaminante en la fase gaseosa, sus contribuciones al transporte pueden ser consideradas conjuntamente, definiéndose un coeficiente de dispersión que incluye a ambos: D =D m +D d[4.11] Sustituyendo las expresiones de los flujos convectivo y de dispersión en la ecuación flujo másico total, se obtiene la ecuación: C z C DJ θθ v+ ∂ ∂ −= [4.12] Que derivada conduce a: Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 4.Procedimiento experimental en laboratorio 140 9 z C z C D z J ∂ ∂ + ∂ ∂ −= ∂ ∂ θθ v 2 2 [4.13] Para un soluto que sufre adsorción, la masa por unidad de volumen de suelo esta constituida por la fracción de masa por unidad de volumen de suelo que se encuentra adsorbida y la que se encuentra en la fase fluida: M = ρ q + θ C Donde q es la masa de soluto adsorbida por unidad de masa de sólido y ρ la densidad aparente del suelo. La distribución del soluto entre la fase sólida y el fluido está controlada por varios factores, entre los que destacan: las propiedades del adsorbato (el contaminante), las propiedades de los materiales adsorbentes (el suelo) y las propiedades del fluido portador (el aire). Derivando la expresión respecto al tiempo se obtiene: t C t q t M ∂ ∂ + ∂ ∂ = ∂ ∂ θρ [4.14] Sustituyendo la expresión de la variación de la masa por unidad de volumen de suelo y la ecuación de variación del flujo total en la ecuación de transporte se obtiene: G z C z C D t q t C− ∂ ∂ − ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ θθρθ v 2 2 [4.15] La ecuación de transporte obtenida contempla, por este orden, la variación temporal de la concentración en disolución y de la masa de soluto adsorbida, el flujo por dispersión hidrodinámica, el flujo por convección y la velocidad de desaparición del compuesto por unidad de volumen. En todos aquellos casos en que no hay desaparición de contaminante por degradación (lo que en este caso se refleja en las situaciones experimentales estudiadas en laboratorio), el término correspondiente se suprime y la ecuación se reduce: z C z C D t q t C ∂ ∂ − ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ θθρθ v 2 2 [4.16] Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 6.Trabajos de descontaminación “in situ” 243 Tabla 6.33. Parámetros del ajuste con el suelo del emplazamiento de Valencia (limoso) Caudal (NVP/h) ȕ R Sh Pe LABORATORIO 60 0,20 49,0 5,58 571302 127 0,08 36,5 6,43 571302 238 0,11 47,6 6,23 535595 490 0,19 51,9 5,76 551825 CAMPO 0,10 0,74 70,6 0,05 499760 Tabla 6.34. Parámetros del ajuste con el suelo del emplazamiento de Murcia (arcilla limosa) Caudal (NVP/h) ȕ R Sh Pe LABORATORIO 70 0,02 73,9 1,88 545333 142 0,05 121,4 1,75 509481 278 0,12 143,9 4,81 488985 561 0,12 178,0 6,80 494841 CAMPO 0,14 0,93 90,42 0,01 500000 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 6.Trabajos de descontaminación “in situ” 244 Tabla 6.34. Parámetros del ajuste con el suelo del emplazamiento de Pontevedra (arcilloso) Caudal (NVP/h) ȕ R Sh Pe LABORATORIO 67 0,01 26,79 4,73 503625 146 0,05 19,0 7,26 544618 267 0,12 122,1 6,43 497769 527 0,16 158,3 6,57 491913 CAMPO 0,53 0,52 202,7 0,10 499760 De nuevo es el módulo de Peclet el que presenta valores más próximos para todos los suelos y caudales estudiados, encontrándose todos ellos en torno a un valor de 500000. Sin embargo, como ya se ha indicado anteriormente, la importancia de este hecho queda muy reducida al haberse comprobado que este módulo presenta un efecto casi nulo sobre la curva de limpieza. Respecto a la retención en el suelo (R), los valores obtenidos a escala de campo presentan el valor más elevado para el suelo arcilloso de Pontevedra (R = 202,7), un valor muy superior a los obtenidos para el mismo parámetro a escala de laboratorio (81,55 ± 69,39). Parecido comportamiento presenta el suelo limoso de Valencia R = 70,6 con valores a escala de laboratorio (46,25 ± 6,74) también más reducidos. Ello puede atribuirse a la dificultad de empaquetamiento del suelo excavado en laboratorio hasta reproducir las condiciones originales de porosidad del mismo en campo. Por el contrario en el suelo arenoso de Mallorca se obtiene un valor a escala de campo (R = 151,6) coherente con el obtenido a escala de laboratorio (166,85 ± 25,04) y lo mismo sucede con la arcilla limosa de Murcia (R = 90,42) con valores de R= 129,30 ± 43,65 obtenidos a escala de laboratorio. Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 6.Trabajos de descontaminación “in situ” 245 Así pues, los ensayos a escala de laboratorio pueden permitir obtener valores de retención (R) útiles para la predicción del comportamiento a escala de campo, pero debe extremarse el cuidado a la hora de conseguir un empaquetamiento adecuado del mismo. En cuanto al módulo de Sherwood, los valores que aporta el ajuste al modelo bizonal a escala de campo son muy reducidos, del orden de Sh = 0,01, con un valor máximo de 0,10 para el suelo arcilloso de Pontevedra. Estos valores son mucho menores que los alcanzados en laboratorio (6,25 ± 1,05) para Pontevedra, (3,81 ± 2,44) para la arcilla limosa de Murcia, (5,64 ± 0,58) para el suelo arenoso de Mallorca y (6,00 ± 0,40) para el suelo limoso de Valencia. Aunque aparentemente el efecto comentado contribuiría a un menor transporte desde la fase estacionaria a la fase fluida, el parámetro ȕ presenta valores muy superiores en escala de campo para todos los suelos ensayados respecto a los obtenidos en el laboratorio. Así, se obtiene un valor de 0,18 para el suelo arenoso de Mallorca respecto a ȕ = 0,07 ± 0,02 obtenido en el laboratorio; 0,52 para el suelo arcilloso de Pontevedra también superior a (0,09 ± 0,07) de laboratorio; 0,74 para el suelo limoso de Valencia (en laboratorio 0,15 ± 0,06) y 0,93 para la arcilla limosa de Murcia (0,08 ± 0,05). Así, todos los suelos tienen un comportamiento bastante parecido del parámetro ȕ cuyo valor crece notablemente en campo respecto al valor obtenido en laboratorio. Dicho parámetro, que refleja la proximidad del sistema al equilibrio, crece a escala de campo debido a que el caudal de aire circulante (0,10 a 0,53 NVP/h) es notablemente inferior al empleado en el laboratorio (60 a 1194 NVP/h). Ello refleja la necesidad de operar a escala de laboratorio en condiciones de flujo lo más semejantes posible a las que se plantea utilizar a escala de campo. Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos Capítulo 6.Trabajos de descontaminación “in situ” 246 6.6. BIBLIOGRAFÍA. AGENCIA DE RESIDUOS DE CATALUÑA (2012). “Guía metodológica para la realización de ensayos de vacío (pruebas de eficiencia) en captadores de vapores en estaciones de servicio”. Departamento del Territorio y Sostenibilidad. Generalitat de Cataluña. CAMERON, D. 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Soil Science Society of America Proceedings, 40, pp. 473-480. Capítulo 7.Conclusiones 249 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos CAPÍTULO 7 CONCLUSIONES Capítulo 7.Conclusiones 251 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos 7. CONCLUSIONES 1) En los ensayos de vacío en campo, los tiempos de respuesta obtenidos en los pozos son directamente proporcionales a la distancia existente entre el pozo de control y el de vacío. Además el vacío observado disminuye cuando dicha distancia aumenta. Por otra parte, el radio de influencia de la extracción de vapores disminuye cuando lo hace la permeabilidad. Así, se comprueba que en los emplazamientos de naturaleza arenosa y limosa los radios de influencia de los pozos son mayores que en los emplazamientos con suelos arcillosos, lo que puede conllevar una menor eficacia de la técnica en estos últimos. 2) La concentración de vapor de gasolina en el aire extraído de los pozos disminuye en todos los emplazamientos a medida que transcurre la limpieza hasta alcanzar un valor asintótico. Sin embargo, aunque en todos los emplazamientos se ha hecho circular más de millón de metros cúbicos de aire, en tres de los mismos se alcanzan limpiezas de más del 84%, mientras que en el emplazamiento con suelo arcilloso solamente se alcanzan limpiezas de un 25%. 3) Los resultados obtenidos en laboratorio respecto a la retención (R), se comportan en sentido opuesto a lo que se esperaba, presentando valores más elevados para el suelo arenoso de Mallorca (166,85 ± 25,04) que para el resto de los suelos ensayados: 129,30 ± 43,65 para la arcilla limosa de Murcia, 81,55 ± 69,39 para el suelo arcilloso de Pontevedra y 46,25 ± 6,74 para el suelo limoso de Valencia. Dicho comportamiento se ha atribuido a la presencia de grietas, debido a que en todos los casos se ha operado con suelos secados al aire. 4) Respecto a los valores de retención obtenidos a escala de campo, el valor más elevado lo presenta el suelo arcilloso de Pontevedra (R = 202,7), un valor muy superior a los obtenidos para el mismo parámetro a escala de laboratorio (81,55 ± 69,39) y parecido comportamiento presenta el suelo limoso de Valencia R = 70,6. Por el contrario en el suelo arenoso de Mallorca se obtiene un valor a escala de campo (R = 151,6) coherente con el obtenido a escala de laboratorio (166,85 ± 25,04) y lo mismo sucede con la arcilla limosa de Murcia Capítulo 7.Conclusiones 252 Descontaminación por extracción de vapores a vacío de diferentes tipos de suelos afectados por hidrocarburos (R = 90,42). Por tanto, los ensayos a escala de laboratorio pueden permitir obtener valores de retención (R) útiles para la predicción del comportamiento a escala de campo, pero debe extremarse el cuidado a la hora de conseguir un empaquetamiento adecuado del suelo. 5) Todos los suelos tienen un comportamiento bastante parecido del parámetro ȕ cuyo valor crece notablemente en campo respecto al valor obtenido en laboratorio. Dicho parámetro, que refleja la proximidad del sistema al equilibrio, crece a escala de campo debido a que el caudal de aire circulante (0,10 a 0,53 NVP/h) es notablemente inferior al empleado en el laboratorio (60 a 1194 NVP/h). Ello refleja la necesidad de operar a escala de laboratorio en condiciones de flujo lo más semejantes posible a las que se plantea utilizar a escala de campo. 6) El caudal de extracción de aire se muestra como una variable determinante en el sistema de extracción de vapores a vacío. Los parámetros de ajuste obtenidos en el desarrollo del modelo propuesto, para cada emplazamiento y caudal muestran la influencia del mismo sobre los fenómenos de transporte en el suelo. Para optimizar el proceso de limpieza hay que operar con caudales que proporcionen valores máximos del coeficiente (ȕ) y del módulo de Sherwood (Sh). De esta forma se minimizará el control sobre la limpieza de los fenómenos de transferencia de masa entre las distintas fases presentes en el suelo.