DESCONTAMINACIÓN DE ACUÍFEROS

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1 Clase Pág.1 de DESCONTAMINACIÓN DE ACUÍFEROS Introducción Las tecnologías de recuperación o de descontaminación de los acuíferos, y las medidas de contención de la contaminación hasta que el dispositivo de descontaminación sea operativo, pueden considerarse como la última solución, una vez han fallado, o no han sido puestas en práctica el resto de medidas de prevención y control. Se debe tener en cuenta que, una vez la contaminación en la superficie ha cesado, sus residuos o remanentes en el suelo o en la zona saturada necesitan ser removilizados o regenerados para no afectar totalmente a la zona saturada. Ello puede producirse de tres formas: de forma natural, mediante acciones antrópicas o por una combinación de los 2 factores anteriores. Desafortunadamente, puede también darse el caso que una contaminación sea irreversible, sin que con los medios técnicos actuales pueda recuperarse, o que su coste sea inabordable. En estos casos, la alternativa suele ser abandonar el recurso contaminado e invertir en recursos hídricos alternativos. Es necesario aceptar también que la frase "la dilución es la solución a la contaminación" que se suele admitir en otros casos de contaminación (atmosférica, ríos, etc.), no es aplicable en la mayor parte de las aguas subterráneas, debido a la relativamente baja capacidad de dispersión y degradación de un contaminante en un acuífero y a la generalmente baja tasa de renovación del agua subterránea. Ello es especialmente cierto en lo que respecta a los contaminantes no biodegradables (plaguicidas, cloruros, metales pesados, etc.) y a aquellos cuyo comportamiento en condiciones subalveas es poco conocido o que son tóxicos aún en cantidades muy pequeñas. Del mismo modo, la capacidad de atenuación natural del efecto de un contaminante en los acuíferos presenta una gran variabilidad, según su estructura litológica y geológica, el tipo de contaminante y el estado físicoquímico del acuífero, por lo que no puede considerarse que dicha capacidad pueda ofrecer una seguridad total.

2 Clase Pág.2 de Tipos principales de dispositivos de descontaminación de acuíferos La descontaminación se define como aquel dispositivo o metodología encaminada a la limpieza del acuífero hasta niveles no peligrosos para la salud o hasta la adecuación a una determinada normativa u objetivo de calidad del agua subterránea. Progresivamente se van incorporando al mercado nuevas tecnologías y patentes relacionadas con la descontaminación de acuíferos. Una posible clasificación de las mismas se basa en el lugar físico donde se realiza la contaminación. De esta forma, aquellos métodos donde la descontaminación del agua subterránea se realiza fuera del acuífero se denominan, a partir de la terminología anglosajona, métodos off-site. Un ejemplo de este grupo son aquellas tecnologías que extraen el agua contaminada para tratarla en una planta depuradora o potabilizadora. Por otro lado, si el tratamiento descontaminación se realiza en el propio acuífero, el método se denomina in-site o in-situ. En este caso, el agente descontaminante se incorpora al medio subterráneo de forma directa, aprovechando las características fisicoquímicas originales. Un ejemplo de este segundo grupo son aquellos procesos de bioremediación que introducen microorganismos en el agua freática para la metabolización de los contaminantes. Un tercer grupo lo constituyen aquellos tratamientos que se realizan sobre el acuífero, (on-site). El mecanismo de descontaminación, externo al acuífero, se construye directamente en el mismo, pudiendo modificar, en algún punto, sus características físico-químicas. Un ejemplo de este tipo de tecnologías lo constituyen las barreras geoquímicas. Sin embargo, también puede enfocarse el conjunto de métodos en función de sus bases de funcionamiento, pudiendo entonces hablar de procesos hidrológicos, procesos químicos y procesos microbiológicos (Goldenber & Melloul, en Zoller et al., 1994).

3 Clase Pág.3 de Procesos físico-químicos relacionados con la descontaminación. Procesos hidrológicos En muchos casos, el fundamento teórico de estos procesos es la generación de una superficie piezométrica que confine o dirija la pluma contaminante hacia puntos determinados. Ello puede realizarse a partir de barreras constructivas de baja permeabilidad, sistemas de drenaje subsuperficiales o a partir de la generación de flujos influenciados que combinen el gradiente natural del acuífero con el gradiente radial generado por una o por varias captaciones, con una disposición geométrica determinada. También es posible incluir en este grupo aquellas tecnologías que modifican o actúan sobre la dispersión o la capacidad de filtración del medio. La base de estas técnicas es la relación directa entre la eficacia en la dilución de una determinada pluma contaminante y la heterogeneidad de la formación, su porosidad y la velocidad de flujo; así como la relación inversa entre dicha eficacia y la dispersividad transversal de la pluma. La capacidad de filtrado del medio y su eficiencia como método de descontaminación va ligado a la capacidad de atrape de la materia orgánica (viva o no) incorporada al acuífero. Dicha materia orgánica representa una trampa química para numerosos contaminantes, pudiendo ser el contaminante en sí mismo, bajo forma de contaminación bacteriológica. El filtrado actúa entonces como un agente que acelera el transporte de la pluma contaminante y reduce su tiempo de residencia. Los mecanismos de filtrado se combinan con un régimen de flujo adecuado, que permita dirigir el agua subterránea hasta aquellas partes del acuífero seleccionadas como filtros (Goldenber & Melloul, en Zoller et al., 1994). Una variante de los métodos hidrodinámicos es el establecimiento de áreas de recarga artificial, mediante balsas o pozos, donde se genera un domo piezométrico, mantenido artificialmente, que permite confinar a la parte de agua subterránea afectada por la contaminación o, por ejemplo, un proceso de intrusión marina (Figura 10.32).

4 Clase Pág.4 de Puerto Periodo húmedo, 12 años actuación a) Periodo húmedo Puerto b) Periodo secoestiaje 15 años actuación Figura Ejemplo de barrera contra la intrusión marina simulado numéricamente a partir de la inyección de caudales mediante pozos en un acuífero confinado costero. Se observa que, en función del caudal introducido, la condición de barrera puede romperse en momentos de niveles freáticos bajos.

5 Clase Pág.5 de 14. Procesos químicos Los procesos de atenuación de la contaminación de las aguas subterráneas se producen generalmente por la generación de reacciones químicas que eliminan o neutralizan contaminantes, en algunos casos, ayudadas por los procesos hidrodinámicos citados anteriormente. El objetivo de las tecnologías relacionadas es el dirigir el agua contaminada a aquellas partes del acuífero donde ocurren las reacciones químicas deseadas o inducirlas in situ. Los principales reacciones empleadas son las que provocan cambios de el estado de oxidación-reducción, en la relación entre ácidos y bases, procesos de precipitación o de disolución, adsorpción-desadsorpción o reacciones de complejación. Entre éstas, la relación entre la disolución de carbonatos y aluminosilicatos y el ph es una de las más empleadas, teniendo en cuenta que la extracción de muchos contaminantes adsorbidos y la disolución de precipitados tiene lugar bajo condiciones ácidas de ph. Del mismo modo, se conoce que muchas de las mejores eficiencias de remediación tienen lugar bajo el predominio de determinadas condiciones de reducción, y que estas condiciones suelen coincidir en medios naturales, con la existencia de materia orgánica reducida en el acuífero. El interés del control de los procesos de precipitación y co-precipitación radica en la posibilidad de fijación de contaminación en función de su producto de solubilidad. Ello es especialmente útil en la eliminación de metales, si el metal es isomorfo al ión insoluble que precipita o en el caso de complejos organometálicos. La mayor utilidad de los procesos de adsorpción es actualmente su uso combinado con dispositivos de bombeo del contaminante y su paso a través de filtros de carbón activos, o en otros dispositivos off-site.

6 Clase Pág.6 de 14. Procesos microbiológicos en descontaminación. El fundamento principal de este método es la capacidad de determinados microorganismos, durante su actividad metabólica, de usar determinados elementos y compuestos químicos para sus procesos de síntesis celular. El fundamento bioquímico se basa en que en la cadena respiratoria o transportadora de electrones de las células se van a producir una serie de reacciones REDOX cuyo fin es la obtención de energía. Los aceptores más comunes por los microorganismos son el oxígeno, nitratos, hierro (III), los sulfatos y el dióxido de carbono. El predominio de uno u otro de los compuestos anteriores controla la existencia de condiciones aerobias o anaerobias. Para ello, las condiciones del acuífero deben ser las óptimas para permitir el desarrollo de los microorganismos en medio acuoso. Entre éstas, la temperatura y la concentración de nutrientes por parte del medio y la toxicidad de residuo, controlan su eficacia. Por otro lado, la movilidad de dichos seres vivos también controla de forma decisiva su capacidad de descontaminación Descripción de las principales tecnologías de descontaminación Dispositivos hidráulicos Mediante la generación de un bombeo o de una inyección de agua en un pozo se puede modificar el régimen de gradientes y de flujo del acuífero, captando o confinando, respectivamente una posible pluma contaminante. El caso más simple corresponde a la puesta en funcionamiento de un pozo, con un caudal determinado, que asegure que la totalidad de la pluma contaminante puede ser captada por el régimen de flujo generado. Simplificando el problema a 2 dimensiones y considerando que la extensión máxima de la pluma se corresponde a la extensión superficial del vertido, es posible plantear la siguiente ecuación (Figura 10.33): Y = Q ( 2 * π * T * i) Y arctg X

7 Clase Pág.7 de 14 Donde Q es el caudal a extraer para asegurar que las líneas de flujo dentro de la envolvente que marca el límite del solar (Ya,Xa) sean captadas (Figura 10.33). y A (Xa, Ya) Pozo x vertido (o,o) flujo Figura Simplificación 2D de la zona de captura de una captación, aplicada a un vertido superficial de contaminante conservativo, totalmente soluble en agua. El dispositivo anterior no considera la capacidad de extracción de agua aguas debajo de la captación. Una aproximación a la distancia de influencia del bombeo aguas abajo del pozo (sobre el eje Y) la da la ecuación siguiente: Y' = Q ( 2 * π * T * i) El análisis tridimensional de la zona de captura de la pluma contaminante implica conocer con mayor profundidad la estructura interna del acuífero y las características del contaminante, en especial la relación entre su densidad y viscosidad relativa respecto al agua. Desde el punto de vista de la ejecución el control vertical de la zona de captura se ejerce con un correcto posicionamiento de la zona de admisión o rejilla de los pozos de interceptación.

8 Clase Pág.8 de 14 Si la contaminación en el acuífero es muy extensa o se trata de realizar barreras hidráulicas contra la intrusión marina, es probable que tengan que diseñarse dispositivos de barrera con varios pozos. Dichos dispositivos se dispondrán con la misma filosofía de trabajo que en caso de un pozo único, es decir, en una posición que permita interceptar el mayor número de líneas de flujo de agua contaminada. Ello puede dar lugar a una disposición geométrica regular de los pozos (línea, círculo, rectángulo, etc), con los que las ecuaciones que cuantifican el descenso de un grupo de pozos en función de un caudal total, aplicando el principio de superposición lineal de conos de bombeo, dan resultados aceptables (Custodio y Llamas, 1983; Fetter, 1992). Sin embargo, las condiciones del acuífero y del contaminante pueden provocar una estructura espacial no regular, y unos bombeos diferentes según el pozo. En este caso, la herramienta de análisis más adecuada sería el uso de modelos numéricos. También son usuales dispositivos que combinan barreras de bombeo con barreras de inyección, a veces, incorporando una pantalla impermeable entre ellas (Figura 10.34). Pozos de inyección Barrera impermeable Pozos de bombeo Planta de tratamiento Pluma contaminante Figura Combinación de dispositivos de bombeo de contaminante, barrera de baja permeabilidad y dispositivo de inyección del agua ya tratada, al acuífero. (Fetter et al, 1992 ;modif.)

9 Clase Pág.9 de 14 También pueden forzarse hidráulicamente células de convección de agua inyectada y extraída con el fin de acelerar reacciones químicas en el acuífero. El método VY REDOX (Univ. Quebec-INRS, 1998) es un método in-situ que persigue la precipitación y retención del hierro y manganeso natural en el entorno de una captación, mediante el aumento del grado de oxidación a su alrededor, generando una trampa oxidante en el acuífero alrededor del pozo de extracción, a partir de pozos perimetrales de inyección de agua y aire. De esta forma, el agua bombeada por el pozo pasa a través de la zona de oxidación (subdividida, en función de su Kps y eh, en una zona externa de precipitación de hierro y otra interna de precipitación de Manganeso), liberándose de estos compuestos. Dicho método requiere, entre otros condicionantes, un tiempo de paso mínimo del agua entre 4 y 10 horas y ausencia de materia orgánica en el acuífero. El lavado in situ o flushing consiste en la recarga de una solución acuosa a través de la zona no saturada del acuífero, y la extracción posterior a favor del gradiente de la nueva solución compuesta por el fluido recargado y el contaminante disuelto. Diseño de los dispositivos. A través de una captación puede introducirse o bombearse fluidos, sean estos líquidos o gases. Muchos de los sistemas de remediación de compuestos volátiles pueden implicar la extracción de aire, para generar el vacío en la zona no saturada, que permitan generar gradientes de presión, que volatilicen los contaminantes (método SVE, método Bioslurping), la inyección de aire par aumentar la movilidad, o el bombeo directo de la fase líquida del contaminante, en la zona saturada del acuífero y generalmente aplicable a acuíferos granulares (Espínola, 2002). En el caso del método SVE, la efectividad aumenta en relación directa con la volatilidad del compuesto, de forma que por ejemplo, una gasolina será mucho más volatilizada que un aceite pesado. Por otro lado, la conductividad hidráulica también controla la eficiencia del método, de forma que un terreno arcilloso presentará mucha menor eficiencia que una grava.

10 Clase Pág.10 de 14 En el caso de captaciones para bombeo de agua, los criterios de diseño generales son los mismos que los de una captación convencional. Se debe de tener en cuenta que las características de fluido a extraer obligan a un sellado riguroso del espacio anular entre el entubado y el sondeo y de la base del pozo, de forma que no puedan contaminarse acuíferos suprayacentes, así como un control de la posición vertical de la o las rejillas, con el objeto de asegurar la captación de la zona de acumulación del compuesto. En muchos casos de contaminaciones por hidrocarburos u otras sustancias contaminantes con fases sólida, líquida y gaseosa coexistentes (compuestos multifase), se combinan las extracciones de la fase líquida, con sistemas de inyección de aire o inyección de aire y nutrientes, para limpiar la zona no saturada del acuífero Biorecuperación El objetivo de la biorecuperación de acuíferos es la inmovilización, degradación biológica o transformación de la sustancia contaminante en otra con menor riesgo asociado, mediante la actividad de microorganismos (López Gutiérrez et al.,2001). Estas técnicas se desarrollaron inicialmente para la degradación de compuestos orgánicos urbanos e hidrocarburos (Maroto y Quesada, 2001), para posteriormente extenderse su uso a otros compuestos más peligrosos como metales pesados (López Gutiérrez et al, 2001) o los disolventes clorados (Ordóñez, 2001). Dentro de este grupo existen diferentes tecnologías de ejecución:. El Bioventing o el Biosparging son tratamientos in situ que consisten en la introducción forzada de oxígeno y nutrientes en la zona no saturada del acuífero a través de pozos de inyección. Ello permite degradar compuestos orgánicos ligeros como muchos hidrocarburos, por removilización de la fase volátil y biodegradación, al incrementar la actividad bacteriana por la oxigenación y los nutrientes.. Las Biopilas es un tratamiento off-site en condiciones no saturadas. Consiste en la formación de pilas de material biodegradable, formadas por suelo

11 Clase Pág.11 de 14 contaminado y compost, en condiciones favorables para la biodegradación, pudiéndose combinar con la inyección de aire.. Atenuación natural: es la técnica de bioremediación de menor coste. Su eficiencia radica en la intensidad de los procesos naturales de biodegradación e interacción contaminante-zona no saturada del acuífero. Estas técnicas pueden aplicarse con éxito siempre que las condiciones geológicas sean favorables. Su uso ha sido contrastado, por ejemplo, en hidrocarburos halogenados y no halogenados (Maroto y Quesada, 2001). Tienen como principal punto desfavorable su largo tiempo de descontaminación, lo que las hace incompatibles con procesos contaminantes que impliquen situaciones de riesgo a corto o a medio plazo. Un caso especifico lo constituye la Pytoremediación (Grima, et al., 2002). Consiste en la utilización de plantas para descontaminar suelos y agua subterránea, e implica la interacción de sus raíces y microorganismos asociados. Su uso, inicialmente dirigido ala eliminación de nutrientes, se ha ampliado a la descontaminación de metales, radionucleidos, disolventes clorurados, hidrocarburos, pesticidas, surfactantes o restos de explosivos Barreras geoquímicas Una barrera geoquímica es un dispositivo que permite el paso del agua pero que crea unas condiciones químicas tales que reduce el paso de contaminantes. Dicha barrera puede funcionar favoreciendo variaciones en el estado REDOX o en el ph. Una barrera puede generarse a partir de una trinchera en la zona saturada del acuífero, rellena con el material reactivo, mediante la incorporación de este material reactivo a partir de pozos de inyección o mediante un sistema mixto de extracción del efluente para su tratamiento off-site en una planta, donde se introduce el material de barrera reactiva, que puede ser descargado superficialmente o reinyectado al acuífero (Naft, et al., 2002). Su aplicación, como el resto de métodos ha ido extendiéndose, estando actualmente aplicándose o desarrollándose dentro del campo de los metales pesados, los radionucleidos o la eliminación de nutrientes.

12 Clase Pág.12 de 14 El parámetro principal que condiciona la efectividad y el coste de este tipo de dispositivos es el tiempo en que la barrera es químicamente reactiva, o su longevidad. Esta longevidad depende del material reactivo introducido y de la composición química del agua del acuífero. Una de las barreras más empleadas actualmente tiene como objetivo la atenuación de la acidez y la concentración de metales de las aguas surgentes que proceden del drenaje de antiguas explotaciones mineras. Este tipo de barreras emplean las rocas carbonatadas y más concretamente a las rocas calizas como agente reactivo (Iribar et al., 1998; Cravota y Watzlaf; en Naft, et al., 2002). Aunque la mayoría de los dispositivos de barrera reactiva se han aplicado en acuíferos superficiales, con profundidades no superiores a los 20 metros, se están desarrollando métodos y herramientas que permiten incorporar los materiales reactivos en acuíferos confinados profundos (Freethey et al., En Naft et al., 2002). Gran parte de estos métodos se basan en la disposición de las líneas de flujo a través de sondeos verticales entubados y con rejilla pero sin bombeo o de drenes horizontales profundos. La inflexión de dichas líneas hacia el interior de los sondeos o drenes permite incorporar en su interior los reactivos necesarios para su uso como barreras reactivas. La distancia entre pozos y la conductividad hidráulica del medio se unen al tipo de contaminante o a la longevidad del reactor como parámetros básicos de la eficiencia de estos dispositivos. Su utilidad se basa en su capacidad de intercepción de la pluma contaminante, pudiendo ser sistemas adecuados para la protección de captaciones de abastecimiento ubicadas en acuíferos alrededor de zonas industriales Otras técnicas La electrocinética o los métodos electrocinéticos, es una tecnología que emplea corriente continua de bajo voltaje en el terreno, empleando el agua como medio conductor. El objetivo es el de dirigir los compuestos contaminantes disueltos hacia los electrodos, dependiendo de su carga (Grima et al., 2002).

13 Clase Pág.13 de La descontaminación en medios fracturados La mayor parte de aplicaciones descritas anteriormente se han aplicado con éxito variable en acuíferos granulares. Sin embargo, en acuíferos fracturados la complejidad de su uso puede ser muy superior. El factor fundamental que puede determinar el éxito o el fracaso de una descontaminación en este medio es la caracterización de la zona contaminada y su entorno. La movilidad de muchos contaminantes, en especial, aquellos poco miscibles en agua queda muy limitada en estos medios y su capacidad de extracción suele representar un gran problema. En este sentido, el grado de apertura de las fracturas y su intercomunicación es clave para el diseño de una correcta descontaminación. Con todo, existen posibles soluciones para la remediación de compuestos del tipo LNALP en medios fracturados (Hardisty, et al., 1994) como la construcción de barreras impermeables que permitan acumular y represar el contaminante, para facilitar su extracción por medio de introducción de compuestos y posterior bombeo del conjunto, o el sellado de fracturas que eviten su migración a zonas de mayor riesgo Los dispositivos de contención En muchos casos, representan un estado intermedio entre el dispositivo de descontaminación propiamente dicho y el episodio contaminante. Los principales dispositivos de contención son:. Inyección de agua no contaminada para provocar un incremento del gradiente hidráulico, de forma que ayude aumentar la velocidad de flujo y mejore la limpieza del acuífero, o dificulte la permanencia en el mismo.. Drenes subterráneos diseñados para interceptar parte del flujo, para tratar el agua fuera del acuífero.. Bombeo del agua subterránea con pozos preexistentes, con el fin de captar la mayor fracción posible de contaminante o para crear una zona de captura alrededor de la pluma que dificulte su progresión.

14 Clase Pág.14 de 14. Barreras de impermeabilización o de sellado. Representan un caso especial de contención casi definitivo cuyo uso parece solamente indicado en aquellos emplazamientos en que el residuo deba permanecer permanentemente confinado, separado del flujo de agua subterránea, como por ejemplo, depósitos de residuos urbanos o diques y escombreras industriales o mineras de que han evidenciado fugas hacia el acuífero. En estos casos, se presupone que la removilización del residuo implica mayor riesgo que su confinamiento.