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Modelo Fenomenológico para Biorremediación in-situ de un Suelo
Contaminado con Hidrocaburos del Petróleo
Luz Adriana Quintero 1, Santiago Cardona2, Hernán Álvarez3
Facultad de Minas. Universidad Nacional de Colombia. Medellín. Colombia. Tel: (57-4)4255120. Fax.: (57-4)4255103. E-mail: (1)[email protected], (2)[email protected], (3)[email protected]
Resumen
Se presenta la construcción de un modelo fenomenológico de base semifísica para la biorremediación (atenuación natural estimulada) de un suelo contaminado con una mezcla de diesel y gasolina. Se realiza una abstracción del sistema
en fase homogénea: pluma contaminante de mezcla de hidrocarburos en el suelo con una biodegradación estimulada a través de peróxido de hidrógeno (como fuente de oxígeno) y nutrientes (nitrógeno y fósforo) en forma de sales. Se
determina un modelo de parámetros concentrados que permite conocer los cambios de concentración en el tiempo de los componentes de interés (mezcla de hidrocarburos, oxígeno, amonio, nitrato, biomasa heterótrofa), el cambio de la
temperatura con el tiempo, variable que afecta en gran medida el proceso biológico de biorremediación y un modelo de parámetros distribuidos para el transporte de la mezcla de hidrocarburos del petróleo. El reactor a considerar es el
modelo conceptual de flujo pistón. El modelo permite conocer el comportamiento de la mezcla de contaminantes, la interacción con los componentes del suelo y el crecimiento microbiano, además de brindar una posibilidad de
escalamiento y diseño en el proceso de atenuación natural (de laboratorio a campo). La ruta de modelamiento comprende la aplicación del principio de conservación de materia, energía y cantidad de movimiento a cada sistema de
proceso una vez determinados los procesos biológicos más relevantes. Se subdivide la zona contaminada en cuatro zonas de acuerdo a las características de saturación, procesos biológicos, físico-químicos y condiciones ambientales:
zona vadosa, zona capilar, zona fluctuante y zona saturada. En una primera etapa de la investigación se construye el modelo para la zona vadosa de acuerdo a las dinámicas de interés en función de variables y parámetros
interrelacionados gracias a la reducción del complejo sistema de proceso de un derrame en medio poroso.
Área de estudio
Resultados
Zona I
Balances de masa
Hidrocarburos
residuales
Zona
Insaturada
Vapores
hidrocarburos
dC
Zona vadosa
Saturación (20-60)%
Estados
Sólido
Líquido
Gaseoso
Hidrocarburos
líquidos
Zona II
Zona capilar
Saturación (60-80)%
Hidrocarburos
adsorbidos
Zona III
Zona fluctuante
Saturación (60-100)%
Hidrocarburos
peliculares
Componentes
Sólido
Suelo
Suelo y contaminante
Suelo y componentes


   NO3, R
   NO3, R
NO3, R

 
 
I , en
I , rh
I, s







q






 q   R





R
R
s
sn

I , rh    s , R
I, s
I , sn    bh, R
NH 4, R

I , en
I , rh
I, s

 
 
Biomasa
Sustrato
(gasolina y
diesel)
Componentes
Líquidos
Contaminante y agua
Contaminante
Componentes y agua
Gases y aire
Nivel
freático
  NO3, R

 

NO3,1
I , sn
0 

 
 C
C
q
   R

  

NO
3
,
1
NO
3
,
0
sn


V

dt
I , sn 
 I
  NH 4, R
I , sn


Q





Zona IV
Hidrocarburos
disueltos
Zona saturada 100%
Balance energético
Hidrocarburos
atrapados
Q0  0  CP  To  Q0  0  CP  T  Q0  CS ,0  CS ,1  H~ R I ,e  
Agua subterránea

Introducción
El Modelo fenomenológico integra dinámicas de concentración, energía y cantidad de movimiento y permite
relacionar; propiedades energéticas, químicas, bioquímicas y físicas como son: temperatura del sistema
reaccionante, capacidad calorífica másica del contaminante, coeficiente de transferencia de calor entre suelo
y mezcla de hidrocarburos, calores de reacción para oxidación, coeficiente de distribución de contaminante
entre fase líquida y sólida, densidad aparente seca del terreno, velocidad a lo largo de la dirección de flujo,
entre otros.
El modelo se desarrolla por la necesidad de una abstracción simple del proceso de bioestimulación, que
permita cambios en el sistema de acuerdo al proyecto que se desea emprender y la determinación de
condiciones óptimas para biodegradar la mezcla de gasolina y diesel; tiempo, cantidades necesarias de
oxígeno, nutrientes y temperatura óptima del hidrocarburo.
Objetivos
Determinar un sistema de biorremediación in situ estimulada con oxígeno y nutrientes de una mezcla de
hidrocarburos gasolina y diesel, en fase líquida y medio poroso.
Determinar los componentes químicos de interés en el estudio, a través de un análisis de condiciones limitantes y
puntos críticos.
Seleccionar reacciones de oxidación de hidrocarburos, síntesis celular, nitrificación, muerte celular y sus
correspondientes cinéticas o velocidades de reacción.
Desarrollar un modelo a partir de balances de masa, energía y cantidad de movimiento.
d 

U  Ac  (Ta  T )  Cp  VI  T  
dT
dt 


dt
Cp    VI



Balance de transporte
 C
S

 t

D

 C

S
 Z 


 z

z
 R




C
1

O2

q

 R
e K
C

O2
O2

  V
   Z
  R
 
 C
S

 z

  K  a 



L
    
  K   Cs  

N 
    R 







  K a

C    L
C
SE
S    R 






Ecuaciones Constitutivas
Materiales y métodos
I Etapa:
Selección de sistema: reactor de
flujo pistón con operación
continua y bajo caudal de flujo
contaminante
para
fase
homogénea líquida donde existen
cambios en las propiedades del
reactor con el tiempo y a través
del reactor.
III Etapa:
Selección
de
reacciones
químicas:
oxidación
en
ambiente aerobio, síntesis de
biomasa, muerte celular y
nitrificación.
IV Etapa:
Selección de componentes
químicos: sustrato como mezcla
de hidrocarburos, amonio,
nitrato, biomasa, oxígeno y
fosfatos.
II Etapa:
Estudio de sustrato como grupo
contaminante.


C02,1

C
R  
S ,1
I ,e
K O2,1  CO2,1 


K
O2,1
K
O2,1
(T )  K
O2,1
(200 C )   T  20
 K SD   b

R
 1



Conclusiones
Se desarrolló un modelo que predice el comportamiento en el tiempo de las dinámicas principales en la zona
vadosa para nutrientes, oxígeno y biomasa, establece un perfil en el tiempo y en el espacio para la mezcla de
gasolina y diesel y permite la interconexión entre variables de estado (concentraciones), variables de entrada
(perturbaciones), parámetros bioquímicos (máximas tasas de crecimiento de biomasa, máximas tasa de
consumo de sustrato, tasas de muerte celular y coeficientes de saturación), constantes y cinéticas a través de
balances de masa, energía y cantidad de movimiento para un proceso de biorremediación in situ con
atenuación natural estimulada.
Gráfico1. Representación esquemática de
reactor flujo pistón.
El modelo es flexible a cambios en las variables de entrada y puede aplicarse a todo tipo de suelo
caracterizado desde un ensayo en laboratorio hasta pruebas en campo.
V Etapa:
Estudio de consideraciones.
VI Etapa:
Aplicación de balances
masa, energía y transporte.
Gráfico 2. Sistema I Zona vadosa.
Se considera la temperatura como variable importante en la ejecución de los procesos físico-químicos y
biológicos. El perfil de temperatura permite relacionar los parámetros y variables que propician los cambios
energéticos y que pueden ocasionar decrecimiento o crecimiento biológico, lo cual incide en una óptima o no
atenuación natural estimulada.
de
Gráfico 3. Sistema de control de reactor flujo
pistón para balance de energía.
Consideraciones :
Los hidrocarburos más livianos se volatilizan rápidamente por lo tanto el estudio sólo describe las cantidades en el
tiempo del contaminante con mayor peso molecular, los aromáticos de la gasolina y las cicloparafinas del diesel se
transfieren a la fase vapor.
El flujo de contaminación se considera continuo.
El modelo de transporte de contaminante de la mezcla gasolina y diesel se determina para un compuesto
conservativo en un medio poroso uniforme con movimiento de fluido en dirección vertical, flujo laminar y los
procesos estudiados son: advección, dispersión, adsorción, atenuación natural, volatilización, y degradación
biológica.
El modelo fenomenológico no tiene en cuenta los factores medioambientales: ph y humedad. El modelo
fenomenológico no representa los cambios de volumen en el tiempo propio de las fases: líquida, gaseosa y sólida,
pero se propone como alternativa para posteriores adaptaciones del modelo fenomenológico.
Referencias
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Rittmann, B.; McCarty, P. (2001). Biotecnología del medio ambiente, principios y aplicaciones. Mc Graw Hill.
Sutherson, S. (1997). Remediation engineering, design concepts. Lewis Publishers. Estados Unidos.