EL SUELO COMO SISTEMA DEPURADOR. Contaminación de Suelos 1

Transcripción

1 EL SUELO COMO SISTEMA DEPURADOR Contaminación de Suelos 1

2 El suelo es un constituyente normal de la naturaleza, con componentes minerales y orgánicos y con componentes biológicos constituidos por organismos que viven en él. La alteración física, química y bioquímica de las rocas provoca la formación de nuevos constituyentes minerales muy reactivos. Estos constituyentes, de pequeño tamaño y gran superficie, tienen cargas eléctricas casi siempre electronegativas (alguna vez son positivas), y son minerales arcillosos y óxidos de Fe, Al, Mn, Si, entre otros. Al tener esa gran superficie y carga eléctrica, pueden adsorber e intercambiar cationes (a veces aniones) Contaminación de Suelos 2

3 Por otra parte, el componente orgánico y biológico de la superficie del suelo sufre grandes transformaciones que tienen como consecuencia la conexión con las propiedades antes indicadas de superficie-carga eléctricaintercambio iónico, por intermedio de otra importante característica como es la porosidad. El conjunto de todas ellas confiere al suelo sus funciones ecológicas como constituyente del medio ambiente. Contaminación de Suelos 3

4 En términos concretos la interacción de elementos contaminantes con la fase sólida será dentro del marco de alguno de los siguientes procesos: Adsorción. Difusión Formación de complejos Contaminación de Suelos 4

5 La adsorción en el sistema suelo depende principalmente de los parámetros físicoquímicos, especialmente ph y el metal adsorbente. De tal manera que el mineral de arcilla, en general, adsorberá menor cantidad de metales que los óxidos y la materia orgánica. La materia orgánica disuelta puede incrementar la solubilidad de metales y activar superficies de material reactivo, favoreciendo la adsorción. Contaminación de Suelos 5

6 Los iones metálicos son capaces de difundir dentro del suelo a tasas que dependerán de sus diámetros iónicos así como del ph prevalente del medio. Sin embargo, incrementando el ph, se pueden formar hidroxicomplejos que podrían causar un incremento de los diámetros iónicos, disminuyendo así la tasa de difusión de tal manera que se inmovilizan los metales pesados que van a difundir. Los iones metálicos pueden estar coordinados a sustancias orgánicas (formando complejos), en particular ácidos húmicos y fúlvicos. Contaminación de Suelos 6

7 El comportamiento e interacción de contaminantes con el suelo comprende procesos físicos, químicos y biológicos que toman lugar en todos los tres componentes (sólido, líquido y gaseoso) del medio suelo. Ellos incluyen generalmente tres principales grupos de procesos: Retención. Infiltración, difusión y transporte por soluciones suelo. Alteración, transformación, e iniciación de cambios químicos dentro del suelo. Contaminación de Suelos 7

8 Mientras que los dos primeros procesos incluyen principalmente procesos físicos, por los cuales los contaminantes son transportados y distribuidos en el suelo, el tercer grupo comprende solo procesos biológicos y químicos, por los cuales los contaminantes son transformados o almacenados como residuos en el espacio intersticial. Contaminación de Suelos 8

9 Infiltración Esquema de los procesos de interacción suelo-contaminante DIFUSIÓN Y TRANSPORTE Superficie de retención Superficie de retención DIFUSIÓN Y TRANSPORTE SOLUCIÓN VOLATILIZACIÓN PRECIPITACIÓN OXIDOREDUCCIÓN INTERCAMBIO IÓNICO TRANSFORMACIÓN BIÓTICA TRANSPORTE POR CAPA FREÁTICA CAPA FREÁTICA TRANSPORTE POR CAPA FREÁTICA Contaminación de Suelos 9

10 Los procesos físicos de las interacciones suelo/contaminante incluyen transporte y retención. Ellos dependen principalmente de los parámetros físicos del medio (temperatura, tamaño de partícula, cargas eléctricas, etc.). Los procesos químicos dependen mayormente del tipo de contaminante y su naturaleza química. Para los procesos de contaminación del suelo, biológicamente controlados, se pueden incluir todos los procesos de biotransformación y biodegradación, dependiendo de la ecología microbial, la profundidad, y la disponibilidad de oxígeno en el lugar de contaminación. Contaminación de Suelos 10

11 PROPIEDADES FÍSICAS RELACIONADAS Contaminación de Suelos 11

12 LA ESTRUCTURA La estructura se define como la forma que tienen los elementos minerales y orgánicos del suelo al agruparse en agregados primarios o secundarios. La estructura juega un papel importante en muchas propiedades del suelo como la porosidad, la permeabilidad, la profundidad de raíces, entre otras. Contaminación de Suelos 12

13 LA ESTRUCTURA Al entrar en contacto con las partículas del suelo o agregados, los contaminantes serán retenidos por adsorción en la superficie de estas partículas, o serán acumulados en sus espacios intergranulares, donde pueden concentrarse manteniendo su composición química original o como sustancias que han sido alteradas por diferentes reacciones químicas. Los contaminantes retenidos en la superficie del suelo, o en sus espacios intersticiales, pueden ser orgánicos, inorgánicos o una mezcla o complejo de ambos. Los contaminantes llegan al suelo en diferentes condiciones físicas, como solutos, líquidos inmiscibles en agua o partículas suspendidas. Contaminación de Suelos 13

14 LA ESTRUCTURA Los mecanismos de interacción suelocontaminante dependerá de los parámetros físicos prevalentes en el suelo, tales como temperatura, contenido de humedad, salinidad del agua del suelo, así como sus propiedades físicas y químicas. Un resumen de los procesos involucrados se presenta en el siguiente esquema. Contaminación de Suelos 14

15 Resumen de mecanismos involucrados en la contaminación del suelo ENTRADA DE CONTAMINANTES AL SUELO Retención Infiltración Cambio químico Retención adsortiva - Adsorción física - Adsorción química Transporte, difusión y dispersión Retención no adsortiva - Precipitación - Entrampamiento Contaminación de Suelos 15

16 LA ESTRUCTURA La composición química del agua o de los vertidos afecta a la estructura. Si las aguas vertidas son ricas en sodio, se produce una modificación de la estructura por dispersión y ruptura de los agregados, mientras que los cationes polivalentes como el calcio facilitan la floculación de las arcillas. En general, una baja concentración de electrolitos facilita la dispersión, y una concentración elevada provoca la floculación. Contaminación de Suelos 16

17 LA POROSIDAD La condición física de un suelo depende, en gran medida, de la porosidad y del tamaño de los poros. En los suelos de textura fina, abunda la microporosidad frente a la macroporosidad, dominante esta última en suelos dominados por textura gruesa o con predominancia de gravas. En ambos casos los poros presentan poca variación en sus dimensiones. En los suelos agregados la porosidad es de carácter intermedio, es decir los poros son grandes y pequeños. Contaminación de Suelos 17

18 LA POROSIDAD El aporte de las aguas residuales industriales modifica la porosidad del suelo, aumentando o disminuyendo la distribución y tamaño de los poros en función de la escasez de los sólidos disueltos, del volumen de líquido aplicado y de las condiciones climáticas. Los residuos químicos, si están presentes en las aguas residuales, pueden actuar también sobre los agregados del suelo, produciendo modificaciones estructurales que repercuten en la porosidad. Estas variaciones que operan en detrimento de las características del suelo, pueden ser compensadas por la presencia de materia orgánica, que aumenta y estabiliza los agregados. Contaminación de Suelos 18

19 EL AGUA A TRAVÉS DEL SUELO En los movimientos del agua en el suelo actúan dos fuerzas de origen diferente: por una parte la fuerza gravitacional, causa del movimiento descendente del agua a través de los horizontes genéticos del suelo, y por otra parte, las fuerzas de succión, de origen capilar, que provocan los movimientos ascendentes del agua, ayudados por los procesos de evaporación o de absorción a nivel radicular. La penetración del agua a través del suelo está asociada a un arrastre de productos orgánicos e inorgánicos que van siendo adsorbidos, en mayor o menor cuantía, según el producto de que se trate y según el tipo de suelo. Esta capacidad de adsorción es mayor en los suelos de textura fina que en los suelos de textura gruesa, aumentando la capacidad de adsorción por muchos productos en función del mayor contenido de materia orgánica del suelo receptor. Contaminación de Suelos 19

20 EL AGUA A TRAVÉS DEL SUELO La profundidad a la que penetran los productos químicos aportados por un vertido depende del volumen de agua infiltrada y del coeficiente de adsorción del compuesto, según la relación: P v 1 K C ads Donde: P v = Profundidad a la que penetra el producto para un caudal v de agua infiltrada. K = constante de proporcionalidad C ads = Coeficiente de adsorción del producto químico. Contaminación de Suelos 20

21 EL AGUA A TRAVÉS DEL SUELO La infiltración es el mecanismo más común de contaminación de soluciones suelo en la zona vadosa (región entre la superficie del suelo y el nivel freático del agua subterránea), así como en regiones profundas de zonas saturadas de la capa freática. Conforme los fluidos descienden bajo la influencia de la gravedad, disuelven materiales para formar lixiviados que contienen constituyentes orgánicos e inorgánicos. Contaminación de Suelos 21

22 EL AGUA A TRAVÉS DEL SUELO Conforme los lixiviados alcanzan la zona saturada de la capa freática, los contaminantes se extienden horizontal y verticalmente junto con los principales ciclos de los flujos geoquímicos. Los investigadores clasifican los patrones de flujo de material en el paisaje en tres principales categorías: ciclo migracional principal (CMP), flujo geoquímico del paisaje (FGP) y flujo extra del paisaje (FEP). Contaminación de Suelos 22

23 EL AGUA A TRAVÉS DEL SUELO Ciclo migracional principal (CMP): en este tipo de flujo las sustancias químicas son predominantemente transportadas en una dirección ascendente vertical desde el suelo a las plantas y animales, y luego descendente desde las plantas y animales al suelo, acercándose a un estado estable. Atmósfera Suelo Litósfera Superficie del suelo expuesta a la luz Tabla de agua Las sustancias químicas circulan dentro del paisaje del prisma como un sistema cerrado. Contaminación de Suelos 23

24 El ciclo migracional principal puede, sin embargo, incluir el transporte de material fino suspendido en agua desde las partes superiores del suelo y depositado en las partes bajas (iluviación), formando recubrimientos en los granos gruesos (llamados películas de arcilla = clayskins). Las aguas ácidas pueden, en su camino descendente, lixiviar cationes de los horizontes superiores para precipitarlos como sedimentos químicos en las partes bajas del suelo, como es el caso de la formación de horizontes ricos en carbonatos en algunos suelos. Contaminación de Suelos 24

25 En el curso de flujo de material durante un ciclo pedogénico activo, el flujo vertical forma una de las principales rutas para el desarrollo de horizontes maduros, así como la distribución de componentes orgánicos y minerales entre estos horizontes. Ejemplos: flujo de material orgánico descendente puede resultar en la transferencia de material orgánico, desde la superficie, a ser depositado, en la forma de residuos orgánicos no descompuestos (raíces) o descompuestos y homogenizados por diferentes reacciones orgánicas para formar sustancias húmicas. Contaminación de Suelos 25

26 EL AGUA A TRAVÉS DEL SUELO Flujo geoquímico del paisaje (FGP): Esto involucra un transporte progresivo de material paralelo a la superficie del suelo. Toma lugar dentro de un prisma, incluyendo porciones de la atmósfera, la pedósfera y la litósfera. Un ejemplo de aire migrante químicamente activo en la FGP es el dióxido de carbono y otros gases que podrían disolverse en el agua del suelo, causando un cambio en su constitución química y en algunos casos precipitación de nuevos compuestos químicos (carbonatos). ENTRADA Atmósfera Suelo Litósfera Superficie del suelo expuesta a la luz Tabla de agua SALIDA Contaminación de Suelos 26

27 Los compuestos orgánicos complejos, que prevalecen durante este tipo de flujo (oxidación durante flujo de aire) pueden ser descompuestos permitiendo que cationes que son nutrientes de las plantas (Ca 2+, Mg 2+, K + ) puedan ser liberados, formando sales (carbonatos, sulfatos). Este proceso se denomina mineralización. El proceso de mineralización puede ocurrir en cualquier momento del ciclo y puede ser revertido para formar moléculas orgánicas a través del proceso de inmovilización. Contaminación de Suelos 27

28 EL AGUA A TRAVÉS DEL SUELO Flujo extra paisaje (FEP): Es un tercer flujo de material. Se aplica a los suelos como una porción del paisaje del prisma; podemos definirlo como el flujo de sustancias químicas dentro del suelo donde podrían ser acumuladas (+ve) o eliminadas (- ve) Atmósfera Suelo Litósfera +ve -ve Contaminación de Suelos 28

29 Este tipo de flujo (FEP) caracteriza dos principales tipos de procesos: adiciones y pérdidas. Las adiciones prevalecen durante el flujo positivo, es decir, cuando las sustancias fluyen dentro del perfil del suelo, donde ellas podrían ser acumuladas. Las adiciones al suelo pueden incluir residuos de plantas, material orgánico descompuesto o material transportado inorgánico. Después de la adición de materiales orgánicos e inorgánicos, suceden reacciones químicas que conducen las condiciones energéticas del sistema suelo hacia el equilibrio, transformando aquellos elementos metastables del sistema a condiciones estables. Contaminación de Suelos 29

30 Las pérdidas, constituyen el flujo negativo que caracteriza el resultado neto del flujo de material. La pérdida de material particulado puede ocurrir debido a la erosión del viento o del agua, mientras que el material gaseoso puede perderse por volatilización, por cambio de gradientes de presión parcial o debido a la oxidación de compuestos orgánicos. La pérdida de elementos químicos del suelo, también ocurre por remoción de las plantas del suelo, después de la cosecha. Contaminación de Suelos 30

31 LOS GASES EN EL SUELO La existencia de una atmósfera en los horizontes genéticos del suelo, semejante a la atmósfera terrestre (libre), tiene gran interés para el mantenimiento de la actividad respiratoria de los organismos presentes en el suelo, quienes en definitiva toman parte activa en los procesos de absorción y degradación de los compuestos que acompañan al líquido de vertido, incrementando el poder del suelo como depurador. Contaminación de Suelos 31

32 LOS GASES EN EL SUELO El mecanismo más frecuente en el intercambio de gases es el de difusión. El contenido de oxígeno en la atmósfera del suelo es ligeramente inferior al de la atmósfera libre, variando de unos suelos a otros según su estructura, pues, por ejemplo, en los suelos hidromorfos, mal estructurados, compactados, el contenido de oxígeno es muy bajo. Cuando las aguas residuales industriales que recibe un suelo son ricas en materia orgánica, se estimula la actividad microbiológica y se provoca un aumento del consumo de oxígeno, facilitándose así las condiciones anaerobias. Contaminación de Suelos 32

33 LOS GASES EN EL SUELO La difusión y dispersión de metales pesados puede ser en la forma de un proceso de transporte activo dependiendo de muchos factores, el más importante de los cuales está relacionado al movimiento y características de la solución suelo y agua de infiltración. En resumen estos factores son: intensidad de lluvia, evaporación, retención de agua del suelo y propiedades hidráulicas del suelo tales como propiedades de difusión y conductividad. Contaminación de Suelos 33

34 INTERCAMBIO DE CALOR EN EL SUELO De la misma forma que existe en el suelo una atmósfera propia, también se caracteriza éste por un microclima específico, dado por las variaciones del grado de humedad y las variaciones de temperatura. La conductividad térmica del suelo, variable de unos suelos a otros, es un factor limitante del intercambio de calor, dependiendo las variaciones de temperatura de esta conductividad térmica y de la capacidad de admisión y retención del calor por el suelo. Contaminación de Suelos 34

35 INTERCAMBIO DE CALOR EN EL SUELO Cuando un suelo recibe agua, aumenta al máximo la difusividad térmica, y va decreciendo a medida que nos acercamos a la saturación. Si bajo los suelos que reciben aguas residuales urbanas o industriales existen drenajes, el agua de gravedad circula, aumentando la difusividad térmica, lo que facilita el calentamiento y la consecuente mejora de las cosechas en zonas frías Contaminación de Suelos 35