Electrorremediación de suelos contaminados con pesticidas por técnicas de lavado por barrido y barreras de contención de la contaminación

Resumen

Nuestra Sociedad solo ha sido consciente del grave problema ambiental asociado a la contaminación de suelos muy recientemente. De hecho, esta contaminación es conocida comúnmente como “contaminación silenciosa” ya que no nos damos cuenta de ella en el momento en el que se produce sino mucho después, cuando los efectos negativos sobre la salud humana y el medioambiente son más que evidentes. Debido a su peligrosidad, y también debido a la gran cantidad de episodios de contaminación del suelo que han aparecido durante los últimos años, se están desarrollando una gran variedad de tecnologías para la remediación. Entre estas tecnologías, unas de las más prometedoras son las basadas en las técnicas electrocinéticas, concretamente, las basadas en la combinación de varios procesos asistidos por la electroquímica (electro-ósmosis, electroforesis, electrolisis, electromigración y calentamiento eléctrico). Entre ellas están las tecnologías electrocinéticas de lavado por barrido (EKSF, por su acrónimo en inglés) y las barreras de contención de la contaminación (EKF, en su acrónimo en inglés), que parecen ser las más prometedoras para la eliminación de contaminantes orgánicos. Este tipo de tecnologías de remediación electrocinética (a las que en este documento vamos a denominar genéricamente por su acrónimo en inglés, EKR) muestran un gran número de aspectos potencialmente ventajosos en comparación con otras tecnologías, ya que se pueden aplicar in situ, evitando los costes asociados a las fases de excavación y de transporte y, lo que es más importante, evitando modificar las características hidrogeomecánicas del suelo. Además, se puede aplicar este tipo de tratamientos a suelos de baja permeabilidad contaminados con una amplia tipología de contaminantes, incluyendo metales pesados, y muchos tipos de especies orgánicas polares y no polares. El gran número de estudios llevados a cabo a escala de laboratorio en los últimos años, apoya su innovación y las buenas perspectivas de esta tecnología. Teniendo en cuenta estas prometedoras características, en esta Tesis Doctoral se ha desarrollado una evaluación completa de la forma en que la colocación de los electrodos puede influir en la remediación de suelos contaminados con pesticidas. Dos pesticidas, 2,4-D y oxifluorfen fueron seleccionados como modelos de herbicidas polar y no polar, llevándose a cabo pruebas a diferentes escalas de tratamiento incluyendo maquetas de escala bancada, mockups, piloto y prototipo con el fin de evaluar cómo estas configuraciones pueden afectar a la eliminación de la contaminación orgánica. Las tecnologías estudiadas en mockups pilotos de 175 dm3 durante períodos superiores a un mes incluyeron la EKSF, tanto usando filas de electrodos enfrentadas como configuraciones circulares de electrodos (6 ánodos que rodean un cátodo central (1C6A) y 6 cátodos que rodean un ánodo central (1A6C)) y la configuración electrocinética de barreras de contención de la contaminación donde se alternaron ánodos y cátodos en configuración circular (EKF). Los resultados demostraron que la configuración de los electrodos así como el carácter polar / no polar del contaminante influyen tanto en el rendimiento como en la eficiencia del tratamiento. Los parámetros más relevantes fueron monitorizados durante los experimentos y, una vez finalizados los mismos, se llevó a cabo un análisis post-mortem del suelo, que dio lugar a un mapa 3-D de la distribución de los principales parámetros. Según estos estudios, la distribución EKF parece ser la mejor opción para el tratamiento de suelos arcillosos contaminados con oxifluorfen, mientras que las configuraciones de lavado por barrido con filas de electrodos enfrentados y la 1C6A son más eficaces para el tratamiento de suelos contaminados con 2,4-D. En todos los casos, el pesticida se moviliza hacia los pozos catódicos al ser arrastrado por el flujo de electro-ósmosis, y se transporta a los pozos anódicos por electromigración, siendo este último proceso mucho más importante en la electrorremediación de suelos contaminados con 2,4-D. Además de esto, al menos un 25% del pesticida es transferido a la atmósfera durante el proceso de electrorremediación, jugando un papel muy importante en los suelos contaminados con 2,4-D donde la volatilización es aún mayor. En cuanto al pH, se observan cambios importantes en el pH del suelo después de los experimentos de electrorremediación, siendo especialmente relevantes en el caso de la utilización de disposiciones de electrodos 1C6A. Otro punto importante es el escalado de esta tecnología, que también se estudió en esta Tesis, comparando resultados obtenidos en ensayos con maquetas a escala de laboratorio con el obtenido en instalaciones a nivel de planta piloto y prototipo. Como primera parte de esta comparación, y teniendo en cuenta la falta de experiencia en el escalado de esta tecnología que, como se refleja en la bibliografía es casi nula, se realizó un estudio para determinar las condiciones en las que la planta prototipo debía ser operada. Este estudio se llevó a cabo en una planta prototipo de 16 m3. Las principales conclusiones de este estudio de escalado indican que para reproducir el comportamiento de suelos reales sometidos a la remediación electrocinética, el suelo debe ser acondicionado antes de ser colocado en el reactor de remediación electrocinética para proporcionarle unos valores similares de contenido de humedad y grado de compactación a los encontrados en condiciones naturales. La energía de compactación necesaria para alcanzar el nivel deseado de compactación depende directamente del contenido de humedad y del tipo de suelo que está siendo estudiado e, indirectamente, depende de la rigidez del reactor EKR donde el suelo se va a colocar. Incluso cuando en los reactores de remediación electrocinética se siguen los mismos procesos de preparación y colocación del suelo, en el cambio de escala influye considerablemente la cantidad de energía eléctrica consumida en el proceso (a pesar de utilizar el mismo campo eléctrico) y, en consecuencia, en la velocidad con la que los diferentes procesos electrocinéticos se desarrollan. Con el conocimiento obtenido en este primer trabajo de caracterización de escalado, se llevó a cabo la comparación de los resultados obtenidos en diferentes escalas en el tratamiento de suelos contaminados con los dos pesticidas modelo escogidos usando como tecnología de remediación electrocinética la EKF. Por lo tanto, los resultados obtenidos en la maqueta de 175 dm3 usando una configuración electródica de barreras de contención se compararon con los obtenidos con la misma tecnología en una planta piloto de 32 m3 y con algunas pruebas llevadas a cabo en una planta pequeña a escala de laboratorio (1 dm3) para dar luz sobre los mecanismos de control en cada escala. De acuerdo con sus resultados, el tamaño de la configuración experimental utilizada para estudiar los procesos de remediación del suelo es clave para entender su funcionamiento. A pesar de que los mismos procesos se están produciendo a un ritmo similar, las dimensiones de las instalaciones modifican por completo la distribución final de los parámetros y, por lo tanto, ninguna conclusión relevante debe ser extrapolada desde el menor de los tamaños. Esto se observa claramente en el caso del pH, intensidad y flujos electro-osmóticos, que no varían de la misma manera en las tres escalas estudiadas. En cuanto a la eliminación de pesticidas, objetivo principal de esta Tesis, se encontró que el principal mecanismo controlante en la planta piloto era el calentamiento eléctrico del suelo, que producía una mayor volatilización de los compuestos orgánicos contenidos en el suelo. La relevancia de estos procesos en la planta a escala de laboratorio es muy baja debido a que la intensidad de corriente es muy baja y no produce ningún cambio relevante en el perfil de temperatura. Por el contrario, los mecanismos controlantes de la planta a escala de laboratorio son el proceso de transporte electrocinético, en particular, el arrastre de los pesticidas hacia el cátodo y la electromigración hacia el ánodo. La relevancia de estos procesos en el prototipo es muy baja debido a que el flujo electro-osmótico es muy bajo. La maqueta de 175 dm3 muestra un comportamiento intermedio, en el que tanto los procesos de transporte electrocinéticos como la volatilización son desarrollados a una velocidad significativa. Por lo tanto, parece razonable cuestionar las predicciones de la efectividad del tratamiento obtenido mediante la extrapolación de los resultados de las pruebas de electrorremediación a pequeña escala y esta Tesis Doctoral indica que en la eliminación de pesticidas a gran escala, el calentamiento eléctrico y, a consecuencia, la volatilización serán los principales mecanismos controlantes y no los procesos de transporte electrocinético. Por último, pero no menos importante, el experimento en planta prototipo permite llegar a la conclusión de que hay un agotamiento de los iones en el suelo y una concentración en los pozos de electrodos. Este transporte debe ser controlado en aplicaciones a gran escala, en particular cuando se combina la tecnología electrocinética con otras tecnologías de tratamiento (como la biorremediación o la fitorremediación).