ESTEBAN GARCIA, Ana Lorena (Universidad de Cantabria, E.T.S.I.Caminos, Canales y Puertos,Avenida de los Castros s/n, Santander, Cantabria, E-39005, ES)
ROMAN SANCHEZ, María Fernanda (Universidad de Cantabria, E.T.S.I.Caminos, Canales y Puertos,Avenida de los Castros s/n, Santander, Cantabria, E-39005, ES)
MYGOYA SAN EMETERIO, Silvia (Universidad de Cantabria, E.T.S.I.Caminos, Canales y Puertos,Avenida de los Castros s/n, Santander, Cantabria, E-39005, ES)
MORENO-VENTAS BRAVO, Xavier Eduardo (Universidad de Cantabria, E.T.S.I.Caminos, Canales y Puertos,Avenida de los Castros s/n, Santander, Cantabria, E-39005, ES)
TEJON MONZON, Juan Ignacio (Universidad de Cantabria, E.T.S.I.Caminos, Canales y Puertos,Avenida de los Castros s/n, Santander, Cantabria, E-39005, ES)
ESTEBAN GARCIA, Ana Lorena (Universidad de Cantabria, E.T.S.I.Caminos, Canales y Puertos,Avenida de los Castros s/n, Santander, Cantabria, E-39005, ES)
ROMAN SANCHEZ, María Fernanda (Universidad de Cantabria, E.T.S.I.Caminos, Canales y Puertos,Avenida de los Castros s/n, Santander, Cantabria, E-39005, ES)
MYGOYA SAN EMETERIO, Silvia (Universidad de Cantabria, E.T.S.I.Caminos, Canales y Puertos,Avenida de los Castros s/n, Santander, Cantabria, E-39005, ES)
MORENO-VENTAS BRAVO, Xavier Eduardo (Universidad de Cantabria, E.T.S.I.Caminos, Canales y Puertos,Avenida de los Castros s/n, Santander, Cantabria, E-39005, ES)
| REIVINDICACIONES 1.- Equipo para biorremediar suelos contaminados con compuestos orgánicos, mediante biodegradacion aeróbica, de los que funcionan con un sistema de recirculación de lixiviados, llevándose a cabo esta recirculación de manera intermitente, mediante un bombeo de caudal instantáneo dispersado mediante un dispositivo de distribución (17) ubicado en la zona superior del depósito biorreactor (1), que comprende: un depósito (1) estanco, un sistema de recirculación de gases, conducto de aporte de oxigeno externo (12), componentes de salida de los gases, conteniendo la parte inferior del depósito (1) un falso fondo (21), y estando compuesto el sistema de recirculación de gases de una tubería de recirculación de gases (10) que sale de la parte superior del depósito (1); presentando en su recorrido una válvula de recirculación (20), un tanque de recogida de condensados (24) y una bomba de aportación de oxígeno externo (8); comunicándose dicha tubería con la parte inferior del depósito en el falso fondo (21) y realizándose la entrada de oxígeno en el depósito por medio de aireación forzada desde la zona inferior del depósito (1) a una velocidad instantánea de aireación alta; y porque la generación de los lixiviados se logra con la presencia en el suelo de una humedad igual a la capacidad de campo junto con un volumen de agua circulante en exceso suficiente para realizar la recirculación de dicha agua en forma de lixiviados; realizándose la aplicación de los lixiviados al suelo con caudales instantáneos muy altos, que aseguran la distribución del lixiviado sobre toda la superficie del suelo, generando una altura de encharcamiento baja. 2. - Equipo para biorremediar suelos contaminados, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque, encima del falso fondo (21) se dispone una rejilla metálica (22), colocándose arriba de la rejilla un material filtrante (23). 3. - Equipo para biorremediar suelos contaminados, de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la tubería de recirculación de gases (10) dispone de un depósito de expansión (27), con el fin de mantener el sistema en depresión o en sobrepresion. 4. - Equipo para biorremediar suelos contaminados, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque por el conducto de aporte de oxígeno al sistema (12) se puede introducir tanto oxígeno puro como aire, cooperando una bomba de aportación en esta entrada (8), regulándose esta aportación mediante una válvula automática (18). 5. - Equipo para biorremediar suelos contaminados, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la salida de gases se compone de un conducto (11) que presenta en su recorrido una válvula automática (19) que purga estos gases de salida, pasando luego por un reactor de depuración de estos gases (9) que consiste en un depósito en el que se introduce un material adsorbente de moléculas orgánicas. 6. - Equipo para biorremediar suelos contaminados, de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizado por tratar los compuestos orgánicos volátiles presentes en los gases recirculados al sistema, mediante el paso de éstos a través de la columna de suelo, que en fase de degradación opera como un biofiltro. 7. - Equipo para biorremediar suelos contaminados, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque dentro de la masa de suelo que se coloca en el interior del depósito (1) se disponen sondas de medida de oxigeno (3), humedad (4) y temperatura (5) . 8. - Equipo para biorremediar suelos contaminados, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema de recirculación de los gases se hace de forma intermitente y es comandada por la concentración de oxigeno medido en el suelo; cuando esta concentración baja de un valor de consigna se activa la recirculación de gases durante un tiempo suficiente para el mezclado del gas en todo el sistema (suelo, depósito y tubería de recirculación de gases). 9.- Equipo para biorremediar suelos contaminados, de acuerdo con la reivindicación anterior, caracterizado porque cuando, tras el mezclado producido por la recirculación de gases, la concentración de oxígeno baja de un determinado nivel, se produce la entrada de oxígeno externo al sistema (12) mediante la bomba de aportación (8), efectuándose a su vez la salida de un volumen de gas por el conducto de salida (11). 10.- Equipo para biorremediar suelos contaminados, de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los datos aportados por las sondas introducidas en el suelo (3, 4 y 5) son procesados en un ordenador (7) para la puesta en funcionamiento de las bombas y válvulas del sistema de recirculación de los gases . 11. - Equipo para biorremediar suelos contaminados, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque dispone de un tanque externo de recogida de lixiviados (13) para almacenar los lixiviados generados en el proceso . 12. - Equipo para biorremediar suelos contaminados, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la frecuencia y el volumen de recirculación de lixiviados es comandada por un temporizador o por los valores recogidos por los medidores de nivel (15), o por los valores marcados por las sondas, o bien, en una combinación de los parámetros anteriores, que coordinan el funcionamiento de una bomba (16). 13. - Equipo para biorremediar suelos contaminados, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque puede ser un reactor modular transportable o estar fijo en un emplazamiento. 14. - Equipo para biorremediar suelos contaminados, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por poder disponer de sistema de calefacción producido por calentamiento del gas, del lixiviado o del propio depósito . 15. - Equipo para biorremediar suelos contaminados, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el depósito puede ser aislado térmicamente. |
Objeto de la Invención
La invención corresponde al sector técnico de procesos de recuperación de suelos contaminados por compuestos orgánicos, específicamente procesos de degradación biológica aeróbica.
Los contaminantes orgánicos del suelo son de naturaleza muy variable (aceites, petróleos, gasolinas, fitosanitarios, etc.) y su presencia en los suelos se debe a diversas actividades humanas (industria, transporte, agricultura, etc.).
Los hidrocarburos forman parte de los contaminantes más habituales en el suelo debido al aumento del uso de los productos derivados del petróleo en todo el mundo. Estos contaminantes son un riesgo significativo para la salud humana y para el medio ambiente. El desarrollo de la normativa en materia de descontaminación y recuperación de los suelos contaminados exige el desarrollo de procesos que sean más eficientes y menos costosos.
Antecedentes de la Invención
La biorremediación es uno de los procesos de remediación más comunes de este tipo de contaminación. Las técnicas de biorremediación pueden ser in situ o ex situ. Entre las técnicas in situ destacan la bioaireación, la biodegradación mejorada, la fitorremediación, la inyección de aire comprimido y la atenuación natural.
Si por las condiciones del lugar no se puede realizar remediación in situ o si se quiere simplemente optimizar la técnica, se puede recurrir a técnicas ex situ alternativas tales como el compostaje, el landfarming y las biopilas. Estas técnicas se pueden realizar on-site, en el propio emplazamiento donde se encuentra en suelo a tratar, u off-site, en instalaciones situadas fuera del mismo. Cuando sea posible, los suelos contaminados se suelen tratar de manera más eficaz si el tratamiento biológico se realiza ex-situ (Alexander, M., 1999; Biodegradation and Bioremediation; 2nd ed, Academic Press, San Diego, California) , ya que la adición de nutrientes necesarios como el nitrógeno y el fósforo, la humedad, los surfactantes , las bacterias, y el oxigeno, asi como la monitorización de los parámetros que controlan la evolución del proceso, se pueden realizar más fácilmente que in situ.
Una de las técnicas más estudiadas, dentro del proceso biológico de remediación de suelos son las biopilas (Von Fahnestock, F.M.; Wickramanayake, G.B.; Kratzke, R.J.; Major, W.R.; 1997; Biopile design, operation and maintenance handbook for treating hydrocarbon-contaminated soils; United States: Battelle Press) . Como el común de los procesos de biorremediación, el principio básico de acción de las biopilas es la transformación de los contaminantes biodegradables del suelo en productos inocuos, aprovechando para ello la acción de determinados microorganismos presentes en el suelo en condiciones controladas, con la particularidad de que el suelo se excava, acondiciona y coloca en pilas.
Si el sistema de las biopilas se desarrolla a la intemperie, la presencia significativa de compuestos orgánicos volátiles y su emisión a la atmósfera sin depuración previa, pueden presentar un impacto ambiental no despreciable. Por otro lado, el desarrollo de estas técnicas requiere una gran cantidad de espacio, ya que el suelo tras ser extraído debe ser apilado en una zona específica para ello. Para poder optimizar la aplicabilidad de esta tecnología es necesario introducir algunas mejoras al sistema.
De cara a mejorar la técnica de biopilas, la tecnología de biorreactores es una de las más adecuadas ya que permite la combinación controlada y eficiente de procesos químicos, físicos y biológicos, que mejoran y aceleran la biodegradación, del mismo modo que permite controlar las emisiones contaminantes del proceso (Riser- Roberts, E. (1998). Remediation of petroleum contaminated soils. Lewis Publishers ) . Como ejemplo de lo anterior están los siguientes reactores:
El Institute for Ecology of Industrial Areas de Polonia (Instituto de Ecología para las Áreas Industriales) en su documento Production-Scale Implementation of Petroleum Contaminated Soils Bioreactor (2000) diseña, construye y pone en marcha un reactor cerrado para la biorremediación de pequeños volúmenes de suelo contaminado. El aire se inyecta por la zona inferior del reactor, en el que se mide la temperatura, el contenido de oxígeno y la humedad del suelo, en continuo. El experimento tiene una duración de 97 días en los que no se trata la corriente de salida de gas. La disminución de los HTP (Hidrocarburos Totales del Petróleo) es de aproximadamente 50% del valor inicial.
Berry, C. (2005), Bioremediation of Petroleum and Radiological Contaminated Soil Using an Ex Situ Bioreactor. Tesis doctoral. Georgia Institute of Technology, desarrolló un reactor para tratar suelos contaminados por hidrocarburos y radiaciones mediante un sistema basado en la bioaireación . La concentración de oxígeno en el suelo, la humedad y la temperatura son parámetros determinantes para este proceso que tiene una duración de 22 meses. La disminución de los HTP es el 99% del valor inicial.
El Naval Facilities Engineering Service Center (NFESC) (1998) diseña la técnica denominada "Biocell". Se trata de un sistema de biorremediación en un contenedor cerrado donde los microorganismos aerobios llevan a cabo la eliminación de los hidrocarburos presentes en el suelo. En este sistema los compuestos orgánicos volátiles generados durante el proceso se tratan con una columna de carbón activo.
Se conoce por el documento US 5249368 un aparato transportable para llevar a cabo la remediación biológica de pequeñas cantidades de suelo contaminado. El objetivo de dicho aparato es descontaminar pequeñas cantidades de suelo (menores a 1000 Y3= 765 m3) en lugares donde no hay mucho espacio; los lixiviados generados en dicho proceso no son recirculados dentro del reactor y requieren un tratamiento; otra desventaja de este sistema es que los gases de salida del reactor son expulsados a la atmósfera.
El documento patente US 4962034 publica un procedimiento para el tratamiento biológico de suelos contaminados en un reactor fijo de hormigón. El objetivo de la invención es controlar la migración de la contaminación tanto a la atmósfera como al suelo, mediante la utilización de un reactor de hormigón cerrado reivindicado la patente dos posibles sistemas de utilización. En el Sistema 1, el suelo es rastrillado por una estructura superior móvil para mezclar y oxigenar el suelo, donde el aire mezclado con compuestos orgánicos volátiles propiamente no se recircula del sistema para ser tratados, pero son devueltos éstos al suelo mediante un sistema de pulverización; cuando el liquido es pulverizado, éste arrastra los contaminantes volátiles que se van acumulando en la zona superior del reactor y los reintroduce al suelo para ser tratados. Los lixiviados generados se recogen para ser posteriormente recirculados dentro del reactor mediante su pulverización. En el sistema 2, el suelo es oxigenado mediante aireación forzada, el aire suministrado es recirculado para ser tratado en el interior del suelo. La cantidad de agua añadida es la mínima para mantener el proceso de biorremediación, por lo que no se prevé la generación de lixiviados, y por tanto, no se lleva a cabo la recirculación de éstos de nuevo al sistema. Se trata de un reactor fijo cuya construcción debe realizarse mediante obra civil, siendo considerables los requerimientos de espacio para su construcción e impensable sus posibilidades de transporte. Los esquemas de ambos sistemas sugieren que ambos procesos están pensados para trabajar con pequeños espesores de tierra, del orden de unas pocas decenas de centímetros, lo que obliga a mayores requerimientos de superficie para tratar un mismo volumen de suelo.
Se conoce por el documento KR 4068638-A un reactor para remediación de suelos contaminados usando un inoculo especializado. Este reactor recircula el lixiviado generado en el proceso según las necesidades de humedad del suelo.
Descripción de la invención La presente invención tiene como objetivo degradar suelos contaminados por compuestos orgánicos mediante tecnología ex situ - on site con biorreactor aerobio que mejore la técnica de referencia (biopilas) . En las biopilas y en los reactores descritos se procura mantener a lo largo de todo el proceso de biodegradacion una humedad limitada e inferior a la capacidad de campo para asi facilitar el paso del oxigeno a través de los poros. Puntualmente, cuando el valor de esa humedad disminuye a valores que dificultan la biodegradacion, se incrementa mediante adición de agua o recirculación de los lixiviados almacenados desde el inicio de la operación o bien generados en eventos de lluvia si la biopila no está cubierta.
En la presente invención se aporta una gran cantidad de agua al inicio, en el momento inicial de arranque del proceso de biodegradacion, con el objeto de generar un volumen suficiente de lixiviados que es recirculado con alta periodicidad. Los objetivos son mantener altas humedades en el suelo que faciliten la biodegradacion (los microorganismos actúan en fase acuosa) y que el lixiviado se comporte como agente distribuidor y homogeneizador de dichos microorganismos y de los nutrientes en el suelo sin necesidad de realizar una mezcla mecánica del mismo.
Por otro lado, en la presente invención la aireación se hace a caudales instantáneos muy altos con la intención de contrarrestar la resistencia que el alto contenido de agua opone al transporte del oxigeno en el suelo y mejorar asi su distribución. Los compuestos orgánicos que potencialmente se volatizarían como consecuencia de estos altos caudales de aireación, no migran a la atmósfera gracias al sistema de recirculación de gases incorporado que reduce o elimina la necesidad de un tratamiento secundario de la corriente de este gas. Todo lo anterior, en un biorreactor transportable y adaptable a las necesidades puntuales de cada caso. De cara a optimizar las condiciones de biodegradación, los rendimientos de tratamiento y al mismo tiempo disminuir sus costes, se han planteado los siguientes objetivos:
Disminuir el tiempo necesario para la biorremediación y lograr una degradación homogénea en toda la masa de suelo.
Mejorar el grado de modularidad y transportabilidad de los reactores.
Minimizar el impacto ambiental.
La presente invención se basa en el conocimiento de los procesos de degradación biológica, la cual se lleva a cabo en un biorreactor cerrado en el que, mediante la optimización de los parámetros de operación, se aceleran los procesos de biodegradación aerobia. Para ello, en el diseño se incluyen las características explicadas a continuación en comparación con los parámetros operacionales de la tecnología de las biopilas:
En las biopilas la aireación es baja para reducir la pérdida de humedad y la emisión de volátiles. Ello puede facilitar la formación de caminos preferenciales , la heterogeneidad de la oxigenación con la consecuente heterogeneidad de la degradación y la creación de zonas anóxicas/anaerobias tanto a nivel de macroporos como a nivel de microporos.
Frente a lo anterior, la presente invención se caracteriza por la utilización de aireaciones forzadas de intensidad, es decir, velocidades instantáneas de aireación altas desde la zona inferior del biorreactor que permiten una distribución espacial homogénea del oxígeno. De este modo se minimiza la formación de caminos preferenciales y se logra la homogeneidad en la oxigenación (a nivel de macroporos y de microporos debido a la aerodinámica interna provocada) .
Esta invención se distingue por la incorporación de un sistema cerrado de recirculación de gases con una velocidad instantánea de aireación, cuyo valor está dado en función del tipo de suelo. Esto genera una mejor distribución y homogeneización del aire en el suelo que se traducirá en un incremento de la velocidad de degradación como consecuencia de la disminución de la probabilidad de encontrar zonas anaerobias, es decir, reducir la posibilidad de que el oxigeno sea un factor limitante para el crecimiento bacteriano.
Un caudal de aire excesivo favorece la rápida desecación del suelo además de la desorción y el arrastre de contaminación en fase gas. Ello se solventa con la recirculación de los gases que se hace de manera intermitente comandada por la concentración de oxigeno en el suelo del biorreactor. De esta forma, se aprovecha al máximo el oxigeno incorporado al reactor.
Gracias a este sistema, los compuestos orgánicos volátiles arrastrados vuelven a incorporarse al biorreactor para ser degradados por los microorganismos. Durante la biodegradación se va produciendo un consumo de oxigeno, hasta que en un determinado momento el contenido de oxigeno del gas que circula a través del biorreactor llega a un valor mínimo determinado; para compensarlo se dosifica aire externo al sistema y se produce la salida de gas del mismo. De este modo se mantiene en equilibrio la estequiometría del proceso.
La purga mínima necesaria de los gases de salida del biorreactor hacia el exterior se realiza tras el tratamiento de dichos gases, bien con carbón activo u otro sistema de depuración, para evitar la emisión de contaminantes a la atmósfera.
En el sentido de la presente invención, se entiende por "aporte de oxigeno externo" la alimentación de aire atmosférico u oxigeno puro al reactor; "recirculación de gases" la acción de recircular los gases cuyo contenido de oxigeno es menor que el aire ambiental; y como "purga de gases" la salida de gases desde el reactor que se realiza durante los momentos de "aporte de oxigeno externo".
La presente invención logra un aprovechamiento máximo del oxigeno mediante un sistema cerrado de aireación, el cual permite controlar las necesidades de incorporación de oxigeno externo. Para reducir el consumo de energía y el volumen de gas a tratar, las bombas de aporte de oxigeno externo y recirculación de gases sólo se ponen en funcionamiento cuando la concentración de oxigeno en el biorreactor baja de un determinado valor, y se detienen cuando se alcanza una concentración suficiente para la biodegradación aerobia. Gracias al sistema de recirculación de gases, los gases que dejan el biorreactor tendrán concentraciones menores de contaminantes orgánicos volátiles; por tanto, su tratamiento puede realizarse con un método sencillo de depuración.
A diferencia de algunos tipos de biopilas en las que los gases son emitidos sin control a la atmósfera, en la presente invención se plantea la aireación en circuito cerrado mediante recirculación del aire inyectado. Esto origina un tratamiento biológico de los compuestos orgánicos volátiles presentes en los gases recirculados al hacerlos pasar a través de la columna del propio suelo a tratar, que en fase de degradación funcionaría como un biofiltro . En una biopila convencional, la aplicación de una aireación fuerte puede provocar el arrastre de la humedad del suelo con el consecuente secado de la biopila y la ralentización de la biodegradación . En la presente invención se trabaja con circuito de aireación cerrado, con un sistema de recirculación de los gases y un sistema de recirculación de un volumen alto de lixiviados, por lo que aunque se apliquen aireaciones fuertes se mantiene la humedad del suelo y, por tanto, la biodegradación en condiciones óptimas.
En la presente invención es necesaria la incorporación de oxigeno al proceso de biorremediación, que puede ser mediante aire o con oxigeno puro; ello exige una purga periódica de gas que a su vez arrastra humedad. Por ello se considera la incorporación también periódica de humedad para mantener la cantidad de agua idónea en el interior. Esto se logra gracias a que los lixiviados generados en la filtración del agua a través del suelo se recirculan al interior del biorreactor.
La presente invención opera con un nivel de humedad alto que produce permeado, llevando a cabo la recirculación del agua con el fin de evitar que en alguna zona de la columna del suelo la humedad sea menor de lo óptimo .
Frente a una posible estratificación vertical de la humedad en la biopila tras una humectación puntual, la presente invención logra una distribución más homogénea de la humedad verticalmente en la masa de suelo, mediante el sistema de recirculación de los lixiviados producidos.
Frente a una posible aplicación de agua en caudales bajos que provocaría en la distribución en superficie del agua, la presente heterogeneidad invención realiza una aplicación de los lixiviados con caudales instantáneos muy altos, mediante un sistema de recirculación compuesto por un depósito de almacenamiento y elementos de distribución que garantizan un reparto homogéneo en la superficie; funciones comandadas por medidores de nivel ubicados en un tanque de recolección de lixiviados.
Frente a la posible pérdida de nutrientes en biopilas debido a la extracción o purga del lixiviado, la presente invención logra el mantenimiento del contenido de nutrientes en el suelo mediante la recirculación de los lixiviados.
Este sistema de recirculación proporciona una distribución uniforme de los nutrientes y los microorganismos en el suelo, permitiendo además mantener la humedad óptima para el proceso.
Frente a un posible arrastre de compuestos orgánicos por el agua circulante, la recirculación distribuye verticalmente los mismos a lo largo del suelo y éste funciona como un lecho bacteriano para su tratamiento y depuración .
Frente a la posible heterogeneidad espacial de especies microbianas en una biopila, la presente invención procura una reinoculación y redistribución continuas mediante la recirculación de los lixiviados. Ventajas de la invención.
Las ventajas del reactor descrito, debidas fundamentalmente a la utilización de un sistema de recirculación de los fluidos, su diseño transportable y su procedimiento de funcionamiento son:
Biodegradación del contaminante a través del incremento de la velocidad de paso del aire en los poros sin aumentar la cantidad de aire a tratar. Consecución de una degradación parcial de los gases de salida al tratarlos mediante el propio suelo.
Mayor grado de transportabilidad y modularidad. El tratamiento se lleva a cabo en un reactor de dimensiones adaptadas para su transporte por carretera, y de forma que sea sencillo aumentar la capacidad de tratamiento simplemente aumentando el número de reactores.
Alternativamente puede adoptar la configuración de reactor fijo.
Mayor rapidez en el inicio de las operaciones de saneamiento. El reactor dispone de los elementos básicos para iniciar el tratamiento una vez procedida la excavación, por lo que se minimiza el tiempo que seria necesario para la instalación in situ de los equipos necesarios para favorecer la biodegradación en otras técnicas .
Control de emisiones. El tratamiento se efectúa en un reactor cerrado que facilita la recolección y tratamiento tanto de las emisiones liquidas como de las gaseosas producto del proceso de biorremediacion.
Además de disminuir la cantidad de emisiones en el proceso, también disminuye la contaminación de dichas emisiones gracias a su tratamiento.
Disminución del tiempo necesario para el inicio de la biorremediacion del suelo contaminado.
Flexibilidad en la ubicación del proceso de biorremediacion al no depender de las condiciones ambientales del sitio contaminado.
Cuando las condiciones externas del reactor no sean las adecuadas para la biorremediacion, se tiene la posibilidad de aislar térmicamente el depósito del reactor para favorecer el incremento de temperaturas en su interior y la velocidad de degradación, mediante un revestimiento térmico tipo encamisado, a modo de ejemplo.
Descripción de las figuras
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayuda a una mejor comprensión de las características del invento, se acompaña la presente memoria descriptiva de planos mostrando el modo de realización preferente, donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Esquema de funcionamiento del equipo.
Figura 2.- Se muestra esquema del funcionamiento del Biorreactor con recirculación.
Figura 3.- Esquema de funcionamiento de una biopila convencional aireada.
En las anteriores figuras se muestra lo siguiente:
1. Depósito estanco (biorreactor)
2. Puntos para toma de muestras
3. Sonda de oxígeno
4. Sonda de humedad
5. Sonda de temperatura
6. Modulo de conexión de señales
7. Ordenador con software para el almacenamiento de datos, procesado de los datos y comando de bombas y válvulas .
8. Bomba de aportación de oxígeno externo/ recirculación de gases
9. Reactor de depuración de gases de salida
10. Tubería de recirculación de gases
11. Conducto gas de salida
12. Conducto de entrada de oxígeno externo al sistema
13. Tanque de recogida de lixiviados
14. Tubería de recirculación de lixiviados 15. Medidores de nivel de lixiviado
16. Bomba de recirculación de lixiviados autocebante
17. Dispositivo de distribución de lixiviados 18. Válvula automática para la entrada de oxigeno externo
19. Válvula automática para la purga del gas de salida
20. Válvula automática para recirculación de gases 21. Falso Fondo
22. Rejilla metálica
23. Material filtrante
24. Tanque de recogida de condensados
25. Adición agua
26. Purga del lixiviado
27. Depósito de Expansión
Bomba
M Válvula
Linea de captación de datos
Circuito de aire
Circuito de agua - lixiviado
Las mismas referencias representan los mismos elementos en la Figura 3 de una biopila convencional, equivaliendo en este caso los números 1', 2', 3', 4', 5' 6', T, 8' y 9' a sus correspondientes de las Figuras 1 y 2.
Realización preferente de la invención
La invención consiste en un reactor discontinuo con las dimensiones adecuadas para permitir su transporte convencional por carretera acoplándolo a una cabeza tractora. En el reactor se lleva a cabo un tratamiento biológico ideado para la recuperación de suelos contaminados por compuestos orgánicos.
La movilidad del equipo permite su transporte de un emplazamiento a otro; pudiendo adoptar, alternativamente, la configuración de reactor fijo.
El equipo de biorremediación consta de los siguientes elementos (aunque en determinadas condiciones pueden no emplearse algunos de ellos o emplearse algún otro) : un depósito estanco (1) resistente a la corrosión constituye el biorreactor, que contiene un falso fondo (21), seguido de una rejilla metálica (22), encima de la que se coloca un material filtrante (23); un sistema para la recirculación de gases en el equipo reactor, cooperando en este cometido elementos con la función de entrada de oxigeno externo y otros componentes que posibilitan la salida de gases.
La recirculación de gases se compone de una tubería de recirculación de gases (10) que sale de la parte superior del depósito, disponiendo en su recorrido una válvula automática para recirculación de gases (20), un tanque de recogida de condensados (24) y una bomba de aportación de oxigeno externo/recirculación de gases (8), para comunicarse esta tubería con la parte inferior del reactor en su falso fondo (21) .
La entrada de oxígeno en el depósito (1) se realiza por medio de aireación forzada desde la zona inferior a una velocidad instantánea de aireación alta, cuyo valor vendrá determinado por el tipo de suelo. Esta entrada puede ser de oxigeno puro o aire, y se realiza mediante un conducto de aporte de oxígeno externo (12) ayudado por la bomba de aportación de oxígeno externo/recirculación de gases (8); regulándose esta entrada mediante la válvula automática (18). Los gases van al exterior por el conducto de salida (11) después de ser purgados en concurso con la válvula automática para la purga de los gases de salida (19), pasando por el reactor de depuración de gases (9) antes de ir a la atmósfera.
El sistema de recirculación de lixiviados comprende un aporte inicial de agua que es regulado mediante una válvula (25); el agua se filtra a través del suelo, denominándose al liquido tras esta fase, lixiviado; dispositivo de distribución de lixiviados (17) situado en la zona superior del depósito; tanque de recogida de lixiviados (13); bomba recirculación de lixiviado autocebante (16); tanque de recogida de condensados (24) y tubería de recirculación de lixiviados (14).
El control del sistema de recirculación de gases está compuesto por: una o varias sondas de oxígeno (3), una o varias sondas de humedad (4), una o varias sondas de temperatura (5), un módulo de conexión de señales (6) de las sondas, y un ordenador con software (7) para el almacenamiento de datos, procesado de los datos y comando de la bomba (8) y las válvulas que determinan la recirculación de los gases (18, 19, 20).
Los medidores del nivel del lixiviado (15) están colocados en el tanque de recolección de lixiviados (13) que controlan la recirculación de éstos dentro del depósito ( 1 ) .
Los puntos de toma de muestra (2) son necesarios en caso de que falle alguna sonda o simplemente para realizar medidas de otros parámetros.
El suelo contaminado, previamente acondicionado (adición de humedad, nutrientes, agentes esponjantes, siembra de microorganismos y/o cualquier otro tipo de pretratamiento) se introduce dentro del depósito (1). Se coloca allí sobre el material filtrante (23) (puede ser material granular filtrante o un geotextil) el cual a su vez está sobre una rejilla metálica (22); estos dos elementos permitirán el drenaje de los lixiviados y la óptima distribución del aire. A medida que el suelo se va introduciendo, se colocan la sonda de oxigeno (3) para medir el consumo de oxigeno por los microorganismos, la sonda de humedad (4) y la sonda de temperatura (5) . La disposición y el número de sondas dentro del depósito (1) debe ser tal que la información que generen sea representativa de todo el volumen del suelo. Esta información, por medio del módulo de conexión de señales (6), va a un ordenador (7) que registra en continuo los datos suministrados por todas las sondas, elabora los resultados y acciona las válvulas automáticas (18, 19 y 20) .
A través de la bomba de aportación de oxigeno externo/recirculación de gases (8) se alimenta aire al falso fondo (21); éste circula a través de la rejilla metálica (22) y el sistema filtro (23) hacia arriba y a través del suelo, saliendo por la parte superior del depósito (1) por la tubería de recirculación de gases (10). En este punto el sistema puede funcionar de dos formas :
Recirculando los gases: Con las válvulas (18) y (19) cerradas y la válvula (20) abierta, el gas llega de nuevo mediante la bomba (8) al depósito (1) a través de la tubería recirculación de gases (10). La recirculación de gases se realiza de forma intermitente y está comandada por la concentración de oxígeno en el suelo contaminado, de tal forma que cuando el oxígeno en el suelo baja de un valor de consigna se activa el sistema de recirculación de gases durante un tiempo suficiente para el mezclado del gas de modo uniforme en el sistema (suelo, totalidad del depósito y tubería de recirculación de gases) . Cuando tras este mezclado la concentración de oxígeno alcanza valores críticos para la degradación, es decir, cuando se necesita que entre aire nuevo al sistema, se da la siguiente forma de trabajo.
Entrada de oxígeno externo: Con las válvulas (18) y (19) abiertas y la válvula (20) cerrada, se produce una descarga del gas viciado a la atmósfera por el conducto del gas de salida (11), atravesando previamente el reactor de depuración de gases (9) que consiste en un depósito en el que se introduce un material adsorbente de moléculas orgánicas, por ejemplo carbón activo, a través del cual se hace pasar la corriente de gas, siendo adsorbidos los compuestos orgánicos remanentes presentes en el gas, purgándose previamente en la válvula (19) para este fin; y el oxígeno externo es introducido al sistema por el conducto de entrada de oxígeno externo (12) mediante la bomba (8) . De este modo, la concentración de oxígeno en el suelo contaminado alcanza un valor adecuado para la biodegradación y se da inicio a los ciclos de recirculación de gases.
La humedad que se encuentra en la tubería de recirculación de gases (10) se condensa y va a parar al tanque de recogida de condensados (24).
La tubería de recirculación de gases (10) contiene un depósito de expansión (27) con el fin de mantener el sistema en depresión o en sobre presión.
En la condición inicial de arranque, el suelo contiene una humedad igual a la capacidad de campo junto con un volumen de agua en exceso circulante suficiente para realizar la recirculación de dicha agua en forma de lixiviados. La aplicación de los lixiviados se realiza con caudales instantáneos muy altos, que aseguren la distribución superficial del mismo con altura de encharcamiento baja.
La recirculación de los lixiviados generados produce la humectación del suelo, y se realiza de modo intermitente en un bombeo de caudal instantáneo, en función del volumen máximo almacenado en el depósito de recolección (13), siendo comandada la recirculación por un temporizador o por los valores recogidos por los medidores de nivel (15) o por las sondas humedad, o bien, por la combinación de las variables y componentes citados. La recirculación de lixiviados (14) se realiza mediante la bomba (16) y su dispersión dentro del depósito biorreactor (1) se hace de arriba a abajo, por medio del dispositivo de distribución (17) ubicado en la zona superior del biorreactor. Los compuestos orgánicos contenidos en el lixiviado van percolando a lo largo del suelo, funcionando éste como un lecho bacteriano para su tratamiento y depuración .
El lixiviado cae al falso fondo (21) que presentará una inclinación puntual o permanente que permitirá su recogida en el depósito de recolección de lixiviados (13). La citada inclinación se puede diseñar en el falso fondo (21) del depósito de modo permanente, o bien, como en el caso de los planos mostrados, conseguir el desnivel únicamente en momentos concretos en los que se precisa esta función de salida del lixiviado, mediante la ligera elevación del remolque donde se transporta o, en caso de reactor fijo, con un elemento de calzo que provoque esta posición .
En caso de condiciones climáticas externas desfavorables, el biorreactor puede disponer de un sistema de calefacción que puede ser, por sistema de calentamiento del gas, de los lixiviados o del propio depósito. Ejemplo de realización
Seguidamente se describe el funcionamiento de una planta piloto del proceso descrito (Figura 2), comparándolo con el funcionamiento del proceso de técnica de biopilas, (Figura 3), con las siguientes particularidades :
Se han dispuesto dos modelos a escala piloto compuestos por columnas de metacrilato que hacen la función de depósito; columna A, (Figura 2), y B, (Figura 3) . Ambas tienen las mismas condiciones de contaminación, materia orgánica, nutrientes, temperatura externa, etc., y sólo difieren entre si en el proceso de aireación y la humedad inicial. La columna A se corresponde a un Biorreactor con Recirculación, objeto de la invención y la columna B se trata de una Biopila Convencional Aireada. En ambos casos el flujo del aire es ascendente. Las medidas de las columnas son: diámetro 200 mm y altura 800 mm.
El suelo contaminado se introduce en el depósito del reactor (1, 1' ) , columnas A y B, respectivamente. En la superficie de cada columna se disponen unos orificios que sirven para la toma de muestras de las sondas (2, 2').
Por la parte superior de cada columna se introducen los elementos de control del proceso: sonda o sondas de oxigeno (3, 3') / sonda o sondas de humedad (4, 4') y sonda o sondas de temperatura (5, 5') / que se van ubicando dentro del suelo contaminado a medida que se van rellenando las columnas. La información generada por las sondas, por medio del módulo de conexión de señales (6, 6' ) , va a un ordenador (7, 7') que registra en continuo los datos suministrados por todas las sondas, elabora los resultados y acciona las diversas válvulas automáticas. En la columna A la bomba de aportación oxigeno externo/recirculación de gases (8) introduce aire a través del suelo por la parte inferior del depósito (1); este aire abandona el depósito por la parte superior mediante la tubería de recirculación de gases (10). En este punto el sistema puede funcionar de dos formas, con recirculación de los gases o con la entrada de oxígeno externo, de acuerdo con los parámetros y funcionamiento expuesto anteriormente.
La recogida de los lixiviados se lleva a cabo en el depósito de recolección de lixiviados (13). La recirculación de los lixiviados (14) es comandada por las sondas del suelo, mediante un temporizador, por los medidores de nivel (15) o por una combinación de los elementos anteriores, en concurso con la bomba de recirculación (16).
La recirculación de lixiviados (14) se realiza mediante la bomba (16) y su distribución dentro del depósito del biorreactor (1) se hace desde arriba por medio del dispositivo de distribución (17).
En el caso de la columna B, la aireación se realiza en circuito abierto; una bomba de aireación (8') introduce oxígeno externo al sistema por la zona inferior del depósito del reactor (1')· La aireación está comandada por la concentración de oxígeno en el suelo contaminado; al alcanzar un mínimo de oxígeno establecido se acciona la bomba de aporte de oxígeno externo (8' ) , y al alcanzar el máximo establecido se detiene. El gas de salida se trata en el reactor de depuración de gases (9') antes de ser descargado a la atmósfera. Ninguna recirculación, ya sea de gases o de lixiviados se realiza en este reactor.
Las bombas utilizadas para el aporte de oxígeno externo/recirculación de gases (8, 8' ) en ambas columnas son bombas de vacío. La bomba de recirculación de lixiviados (16) de la columna A es una bomba peristáltica.
Ambas columnas fueron introducidas en una habitación con temperatura controlada y en oscuridad.
Los principales datos operacionales se indican a continuación. Se utilizó para la experimentación un suelo cuya composición seca era de 96,4% arena y 3,6% humus, y que fue mezclado con diésel comercial (valor inicial de contaminación 10000 mg/kg peso seco) . La fórmula empírica obtenida para el diésel fue C16H34 y su proporción alifáticos/aromáticos 84/16. Antes de introducirlo en las columnas, se mantuvo el suelo en contacto con el diésel en depósitos cerrados durante cuatro meses, tras los cuales se midió un valor medio de H.T.P de 7000 mg/kg. Se aplicó una velocidad instantánea de aireación de 12,7 m/h en la columna A y de 0,44 m/h en la columna B. Los nutrientes añadidos al suelo para ambas columnas fueron nitrógeno y fósforo en una relación Carbono, Nitrógeno, Fósforo (C:N:P) 100:10:2; y las humedades iniciales fueron del 15% p/p en la columna A y de 8% p/p para la columna B. La recirculación diaria de los lixiviados generados en la planta piloto del proceso objeto de invención (columna A) fue del 75% del volumen total generado. La temperatura externa de trabajo para ambas columnas se mantuvo cercana a los 30 °C durante toda la experimentación.
Los resultados se muestran en la Tabla que se muestra seguidamente, indicándose el consumo acumulado de oxígeno en ambas columnas a lo largo de 11 semanas de experimentación .
La curva 1, representa el consumo acumulado de oxígeno para la columna A, y la curva 2 el consumo acumulado de oxígeno para la columna B. En el eje horizontal se representa el tiempo en semanas y el consumo de oxigeno está expresado en gramos. Teniendo en cuenta la estequiometria de las reacciones involucradas en el proceso, teóricamente es posible estudiar la evolución de la degradación a través de la medida del consumo de oxigeno (métodos respirométricos ) . Cada gramo de H.T.P. (Hidrocarburos Totales del Petróleo) consume 3,47 gramos de oxigeno en su degradación aerobia.
Consumo Acomulado de Oxígeno
5 6 7 10 12
Semanas
♦ Columna B A Columna A
Ambas curvas (1 y 2) experimentan un aumento acusado del oxigeno consumido en la semana 1, esto debido posiblemente a la degradación de la materia orgánica fácilmente biodegradable (humus) por medio de los microorganismos del suelo. En la columna A, como puede verse en la curva 1, el consumo de oxigeno experimenta una aceleración durante las semanas 2, 3, 4, 5, y 6. A partir de ahí el consumo de oxigeno se ralentiza y tiende a estabilizarse a lo largo de las semanas 7, 8, 9 , 10 y 11 de experimentación. En el caso de la columna B, (curva 2) la velocidad de consumo durante las semanas 2 a 6 es menor que en el caso anterior (columna A) y se mantiene casi constante durante prácticamente todo el periodo de experimentación .
Comparando lo indicado anteriormente con los valores de H.T.P. medidos a lo largo de la experimentación se observa que en la semana 6 el porcentaje de disminución de H.T.P. en la columna A fue del 61 % del valor inicial, lo que supuso aproximadamente el 90 % de la disminución de los TPH en todo el periodo de experimentación. Tras seis semanas de experimentación, el suelo de la columna A muestra una disminución en la velocidad de degradación, por lo que una opción para disminuir costes de tratamiento seria extraerlo del biorreactor y proceder a su tratamiento bajo condiciones de control menos exigentes. Los resultados obtenidos indican que el diseño y construcción del Biorreactor con Recirculación (Columna A) junto con el sistema de monitoreo del proceso debería proporcionar una herramienta útil para la remediación de suelo contaminado por compuestos orgánicos, en este caso, hidrocarburos .