RESUMEN.
Se aplicó la técnica de
Biorremediación a un área impactada
(20m3) con 58 barriles de petróleo crudo de 14º API (petróleo
pesado) de viscosidad
aledaña a un pozo de petrolero situado en la
República de Cuba. El
seguimiento de los tratamientos se realizó mediante
análisis químicos y
microbiológicos utilizando técnicas
valorimétricas, gravimétricas y
espetrofotométricas, mensualmente durante 369 días.
El área fue humectada y aireada periódicamente
mediante un tractor con arado de disco.
Se observó una disminución en la
concentración de hidrocarburos
totales del petróleo hasta obtener valores
inferiores al 1% recomendado por las normas
internacionales, Se logró recuperar el suelo impactado
en un periodo de un año. Se identificaron especies de
microorganismos degradadores de hidrocarburos en el suelo
tratado. No se encontró toxicidad por ninguno de los
métodos
empleados en el suelo tratado. Se sembraron plantas en el
área tratada (Piñon de jardín), que esto no
fue efectivo, ya que las plantas autóctonas de la zona
resultaron más efectivas, de acuerdo con las condiciones
existentes en el suelo. El análisis económico del
proceso de
Biorremediación arrojó valores dentro del rango
internacional estipulado para este
tratamiento.
La contaminación de suelos por hidrocarburos
es un problema importante en la mayor parte de los países
productores de petróleo. La matriz suelo
es espacialmente variable y está demostrado que las
propiedades químicas, que juegan un papel importante en la
adsorción del contaminante, tales como pH, textura y
materia
orgánica, muestran una distribución altamente variable.
La Biorremediación es una técnica innovadora que
se ha desarrollado en las décadas de los 80 y 90, la cual
ha sido aplicada exitosamente en el tratamiento de suelos
contaminados con hidrocarburos. Se caracteriza por ser una
técnica de bajo costo de
operación. La aplicación de este tipo de tecnología ha
encontrado cierta resistencia de
aplicación por el tiempo que
demanda
completar un proceso hasta obtener las metas de limpieza
deseadas.
La Biorremediación es considerada como la vía
más efectiva para la remediación de suelos
contaminados, en contraste a alternativas más costosas
como la incineración. Los tratamientos biológicos
de degradación en suelos pueden ser eficientes y
económicos si las condiciones de biodegradación son
optimizadas (Álvarez, 2001) (Belloso, 1998) (Cursi y
Calleja, 2000). Se define como Biorremediación al
proceso de aceleración de la tasa de degradación
natural de hidrocarburos por adición de fertilizantes para
provisión de nitrógeno y fósforo (Ercolli, y
Gálvez, 2001). El proceso de degradación requiere
control de
variables
operacionales tales como nutrientes, humedad y oxígeno.
Esta técnica puede ser aplicada in-situ, en el lugar
donde se encuentra el suelo contaminado, o ex-situ, cuando el
suelo se traslada a una instalación para su tratamiento.
El tratamiento ex-situ de suelos, sedimentos y otros
sólidos contaminados con hidrocarburos se puede realizar
en un variado número de procesos en
fase sólida y en fase lodo. Los procesos en fase
sólida son aquellos en donde el suelo se trata con un
contenido de agua
mínima. En los casos de los procesos en fase lodo se
suspende el suelo en agua (Saracino, 2001).
La actividad de los microorganismos presentes en el suelo se
puede favorecer mejorando determinadas condiciones
edáficas, añadiendo nutrientes, agua,
oxígeno y modificando el pH. Otra forma es la introducción de nuevas especies para
aumentar la concentración de microbiota presente.
La medición del CO2 producido por
unidad de tiempo en un área determinada es una medida
indirecta del proceso biodegradativo ya que tiene como objetivo
evaluar la actividad respiratoria de los microorganismos del
suelo durante el proceso de degradación de los compuestos
orgánicos (Infante, 2001).
Los componentes del petróleo son generalmente agrupados
en cuatro clases de acuerdo a su solubilidad en solventes
orgánicos: saturados, aromáticos, resinas y
asfaltenos. No todos los componentes del crudo son
rápidamente degradables, las parafinas de cadenas cortas
son los sustratos fácilmente degradables por los
microorganismos seguidos en orden descendiente por las parafinas
de cadena larga, isoparafinas, cicloparafinas, aromáticos,
heterocíclicos, resinas y asfaltenos. Los compuestos
polares y los asfaltenos son generalmente considerados
resistentes a la biodegradación. El material remanente se
denomina "hidrocarburos totales de petróleo" (TPH, total
petroleum hydrocarbon) y es considerado biodegradable. La
fracción polar y los hidrocarburos totales de
petróleo, juntamente, se nombran petróleo total, el
cual puede ser estimado gravimetricamente por evaporación
de los solventes usados para la extracción (Ercoli,
2001).
El objetivo de este trabajo es
ofrecer los resultados obtenidos en la aplicación del
proceso de Biorremediación a un área de suelo
afectado en la zona aledaña a un pozo de petróleo
en la zona central de la República de Cuba, utilizando la
técnica de bioestimulación de los microorganismos
autóctonos del lugar.
Se aplicó la técnica de Biorremediación a
un área impactada con 58 barriles de petróleo crudo
de 14º API de viscosidad aledaña a un pozo de
petrolero situado en la costa norte occidental de la
República de Cuba. Debido a la poca homogeneidad de
la
contaminación, se establecieron dos zonas para el
seguimiento del tratamiento: Zona A (área más
contaminada) y Zona B (área menos contaminada). El
seguimiento de los tratamientos se realizó mediante
análisis químicos y microbiológicos
utilizando técnicas valorimétricas,
gravimétricas y espetrofotométricas, mensualmente
durante 369 días. El área fue humectada y aireada
periódicamente mediante un tractor con arado de disco.
Debido a las características del petróleo crudo
a degradar, él cual al derramarse en el suelo forma trozos
muy grandes de difícil disgregación, no fue
fácil lograr una distribución homogénea
sobre el área de trabajo, razón por la cual se
dividió la parcela en 2 partes:
Zona A: área más contaminada
Zona B: área menos contaminada
Es destacar que no se adicionó suelo limpio ni material
acondicionante para disminuir la concentración inicial de
hidrocarburos, solamente se removió el área
impactada con el arado y después se homogenizó con
el equipo pesado denominado raspador.
- Acondicionamiento nutritivo – ambiental
inicial.
Independientemente de los contenidos iniciales de nutrientes
existentes en el suelo, se adicionaron como fuentes de
nitrógeno y fósforo, urea y diamino fosfato
respectivamente, con el objetivo de estimular el crecimiento de
los microorganismos de forma tal de obtener las siguientes
relaciones:
C/N = 60
C/P = 800
donde: C = HC * 0.78
C: contenido de carbono
orgánico, expresado en g
HC: contenido de hidrocarburos, expresado en %
Sobre la base de la relación
HC-Nitrógeno-Fósforo prefijada, se incorporaron los
siguientes nutrientes:
. Fuente de Fósforo…………… 0.047 kg / m
2
. Fuente de Nitrógeno……….. 0.22 kg /
m2
- Seguimiento del tratamiento aplicado.
La toma de muestra de suelo
para los análisis del seguimiento del proceso de
Biorremediación se utilizó un muestreo tipo
estrella recomendado por el especialista japonés Dr. Itaru
Okuda. Las muestras fueron colectadas y envasadas en bolsas de
nylon, se preservaron en congelación hasta su posterior
procesamiento y análisis. Además, para la
determinación de grasas y
aceites las muestras fueron homogeneizadas, secadas, y tamizadas
a través de un tamiz de 2 mm, de donde se tomó una
muestra representativa para ser analizada.
Para determinar la efectividad del tratamiento aplicado se
realizaron los siguientes análisis:
Grasas y aceites e hidrocarburos totales, HC Saturados
Resueltos, Saturados, Aromáticos, Resinas y Asfaltenos,
Contenidos de nitrógeno total y fósforo total,
Conteo de microorganismos, Producción de CO2
(Respirometría), Metales
totales
La tasa de biodegradación se calculo según la
siguiente expresión:
Concentración Inicial –
Concentración Final
Tasa (%) =
——————————————————– *
100
Concentración Inicial
En la tabla 1 se muestran los resultados obtenidos de los
parámetros fundamentales medidos para el seguimiento de la
efectividad del tratamiento de Biorremediación.
Después de los 4 primeros meses del tratamiento aplicado y
debido a la disponibilidad de equipos pesados, se realizó
la homogenización del terreno impactado,
obteniéndose una mejor distribución de la
contaminación en el área, observándose un
incremento en los niveles de Grasas y Aceites e Hidrocarburos
Totales del petróleo en las dos zonas y por consiguiente
una disminución en la tasa de biodegradación. (Ver
Tabla 1)
Por otra parte, se observa que en la zona A, durante los
primeros 38 días, ocurre una disminución
significativa en la concentración de hidrocarburos
totales, representada por una tasa de degradación del
29,06 %, resultado ligeramente superior al 25 % recomendado por
otros autores (Infante, 2001) (Ercoli, 2001). En general, a los
369 días se obtuvo una reducción en el contenido de
hidrocarburos totales del 78.08 %, favorable para este tipo de
tratamiento.
En la zona B se observa que a los 38 días de iniciado
el tratamiento existe un aumento en la concentración de
hidrocarburos totales del petróleo (HCTP), que esta dado,
por contaminación cruzada de la zona B originada por las
operaciones de
laboreo del terreno con el arado de discos, ya en los 63
días siguientes y tomando como concentración de
inicio la de los 38 días, se obtuvo una tasa de
biodegradación de 39.70 %, superior a lo recomendado por
muchos autores para continuar el proceso de
Biorremediación, al término del proceso existe una
tasa de biodegradación en esta zona de 40.13 %. Es de
señalar que ambas zonas se obtuvieron niveles de
hidrocarburos inferiores a los 10 000 mg/kg recomendados para
este proceso en las normas internacionales consultadas
(Louisiana, 2000). Es de destacar que como en esta zona se parten
de valores cercanos a los 10 000 mg/kg de HCTP,para t = 0
días, la variación en las concentraciones de
éstos resulta menos acentuada que en la zona A, esto se
debe a que a estos niveles la velocidad del
proceso de Biorremediación resulta mas lenta y en
ocasiones poco perceptibles debido al método
analítico empleado (gravimetría), que es muy
efectivo para analizar altas concentraciones de HCTP. Si se
comparan los valores
obtenidos de Hidrocarburos Totales del Petróleo con la
norma de referencia para este proceso en Lousiana, se observa que
los niveles son inferiores en ambas zonas a los 10 000mg/kg (1
%), valor
recomendado para suelos contaminados por hidrocarburos,
nótese que estos valores en la zona A se obtuvieron a los
265 días, ocurriendo posteriormente un periodo de meseta o
de saturación, donde el decrecimiento en los días
subsiguientes no ocurre, si no que ligeramente aumenta o se
mantiene en los niveles alcanzados en esa fecha.
Se debe señalar, que en ambas zonas se apreció
visualmente una mejoría desde el punto cualitativo de las
condiciones del suelo, recuperándose casi totalmente sus
condiciones iniciales antes de la contaminación. Es bueno
señalar que la variación en los niveles
encontrados, en algunos parámetros, se debe a la
heterogeneidad de la matriz suelo y a la poca homogeneidad del
área impactada.
Tabla 1. Resultados del seguimiento del
tratamiento
Para ver la tabla seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
(1)Criterios para los
constituyentes restrictivos de tierras en Louisiana, Registro de
Louisiana, EUA, 2000 (referencia 11)
La figura 1 muestra la variación de los niveles
de concentración de hidrocarburos totales reportados en
tabla 1, para las zonas estudiadas. En el gráfico se puede
observar una disminución marcada de los hidrocarburos
totales en el tiempo, lo que corrobora la efectividad del
tratamiento aplicado.
Si observamos los valores de Hidrocarburos Totales del
petróleo obtenidos en ambas zonas, se puede afirmar que
desde t = 265 días existe un periodo estacionario o de
meseta anteriormente señalado, donde la disminución
de la concentración es casi inapreciable, es lo que se
conoce como periodo de saturación, alcanzado este periodo
se puede dar por concluido el proceso de Biorremediación.
Si se requiere disminuir aún mas este parámetro es
necesario analizar si es factible desde el punto de vista
económico y del uso futuro que se le quiera a dar al
suelo.
Figura 1 Variación de la
Concentración de H/C totales del Petróleo en el
tiempo
Las Figuras 2 y 3 muestran las variaciones de los
contenidos de nitrógeno y fósforo en ambas zonas,
apreciándose una disminución en el tiempo de los
niveles de concentración de nitrógeno y
fósforo, debido a su utilización por los
microorganismos como compuestos esenciales para su crecimiento y
desarrollo del
proceso biodegradativo (Ver Tabla 1). A los 100 días de
tratamiento (después de haber tomado la muestra para ese
tiempo), el terreno fue fertilizado mediante la adición de
las cantidades necesarias de DAP (fósforo) y nitrato de
amonio como fuente de nitrógeno, con el fin de mantener la
relación C: N: P prefijada, observándose valores
máximos para ambas curvas a los 166
días.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
Figura 2.Variación de la
Concentración de Nitrógeno Total
Figura 3 .Variación de la
Concentración de Fósforo Total
Además, en las figuras antes citadas, se observa
un decrecimiento más marcado de las concentraciones de
Nitrógeno y Fósforo a partir de t = 166
días, debido a que el laboreo del terreno después
de esa fecha se realizó semanalmente, ayudando así
a una mejor utilización de los nutrientes por los
microorganismos para su crecimiento y desarrollo.
La tabla 2 muestra los niveles de concentración
de los componentes del petróleo total extraído del
suelo de la Zona A y Zona B a tiempo = 0 (saturados,
aromáticos, resinas y asfaltenos). Como se puede observar
la mayor concentración de hidrocarburos totales del
petróleo (reportadas en la Tabla 1), en ambas zonas
corresponde a la fracción de saturados y en menor
cuantía se encuentran los hidrocarburos aromáticos,
siendo ambos considerados biodegradables. Los niveles de
concentración de resinas y asfaltenos constituyen una
parte importante del petróleo total extraído (40 –
56 %) y los mismos son considerados resistentes a la
biodegradación., se debe destacar que una vez finalizado
el tiempo del tratamiento aplicado existe biodegradación
de esas fracciones, alcanzándose en la zona A un 41.10% y
23.4 % (respectivamente de las fracciones de resinas y
asfaltenos) , lo que corrobora lo señalado por otros
autores (Ercoli, 2002, Infante, 2001), que todas las fracciones
del petróleo son biodegradables. En ambas zonas se
observan incrementos de las diferentes fracciones, pudiendo
deberse a la heterogeneidad de la contaminación en el
suelo. Con relación al contenido de hidrocarburos
aromáticos se aprecia una disminución en ambas
zonas al final del periodo analizado de un 32.32 % para la zona A
y de un 25.21 % para la zona B. Por otra parte, en dicha tabla se
observa una disminución significativa de la
concentración de los hidrocarburos saturados en el tiempo,
debido a que esta fracción la conforman los sustratos
más susceptibles de degradar por los microorganismos. Los
niveles de concentración relativamente bajos de
Hidrocarburos Saturados Resueltos muestran el carácter poco parafínico del
petróleo contaminante del suelo tratado.
De forma grafica, en la figura 4, se aprecia la
variación de los niveles de hidrocarburos saturados en
ambas zonas, nótese la disminución de las
concentraciones de estos compuestos antes
señaladas.
Para ver el gráfico seleccione la
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Figura 4. Variación de la
Concentración de Hidrocarburos Saturados.
La Tabla 2 muestra los contenidos de Metales Pesados
obtenidos al término del tratamiento aplicado, los cuales
se encuentran por encima de lo estipulado todos los casos,
exceptuando el Zn, a la normativa internacional consultada y en
la referencia de CUPET. Los altos contenidos de Fe resultan
significativos debido a las características
ferralíticas del suelo.
Tabla 2. Contenido de Metales Pesados,
expresados en mg/kg base seca
Para ver la tabla seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
(1) Regulaciones Ambientales
01/95 y 07/96, CUPET (referencias 1y 6)
(2) Se regula Cromo VI.
(23Criterios para los constituyentes
restrictivos de tierras en Louisiana, Registro de Louisiana, EUA,
2000 (referencia 7)
Si este suelo en un futuro se decidiera utilizar con
fines agrícolas, que no es el caso debido a su
ubicación, (cercano a una zona cenagosa), donde la
concentración de metales pesados fuera un parámetro
importante a valorar, sería necesario utilizar la
Fitorremediación, donde con la utilización de
plantas adecuadas para este proceso, se logra la
disminución del contenido de metales pesados, terminado el
proceso, estas plantas son cortadas y tratadas
adecuadamente.
Comportamiento de las Poblaciones
Microbianas.
En la tabla 3 se reportan las concentraciones de
microorganismos encontrados en el tratamiento a diferentes
tiempos, pudiéndose apreciar la variación de
éstas durante todo el periodo analizado. A partir de los
265 días, comienza el decrecimiento de la
concentración de microorganismos heterótrofos
totales, coincidiendo con el periodo de saturación
alcanzado en los niveles de hidrocarburos. Es de destacar que la
concentración de microorganismos viables se mantuvo
durante todo el proceso en el orden entre 106 y
108, valores favorables para que se efectúe el
proceso biodegradativo.
Tabla 3. Conteo de microorganismos
heterótrofos totales, expresados en UFC/g x
108
Para ver la tabla seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
En la figura 5 se puede observar de forma gráfica
el comportamiento
de la concentración de microorganismos en ambas zonas
durante el proceso de Biorremediación aplicado al suelo
impactado en áreas del Pozo Guásimas 18,
nótese las variaciones que se observan en las mismas
debido al tiempo del proceso analizado en que de forma
cíclica, crecimientos y decrecimientos, se repiten las
fases de desarrollo de los microorganismos: adaptación,
crecimiento acelerado, régimen estacionario y muerte
súbita.
Para ver el gráfico seleccione la
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Figura 5. Comportamiento de la
concentración de microorganismos
Lo niveles de microorganismos degradadores de
hidrocarburos encontrados fueron:
Zona A: 7.2 x 105 a t = 229
días
Zona B: 4.8 x 106 a t = 229
días
En ambos casos estas concentraciones resultaron
superiores al rango de 103 y 104
recomendado en la literatura (Ercoli, 2000)
para que se efectué el proceso de Biorremediación
satisfactoriamente.
De las concentraciones de microorganismos degradadores
de hidrocarburos anteriormente señaladas, se aislaron un
total de 7 cepas diferentes en medio agar – petróleo, 5 de
bacterias y 2
de hongos. Las cepas
de bacterias se identificaron por el API 20 NE y resultaron ser:
Pseudomona putida, Pseudomona stutzen, Pasteurella spp,
Sphingo spiitevorum y Brevum vesicularis.. Estas
bacterias son bacilos, aerobias, Gram negativas.
Las Pseudomonas sp es reportada por otros investigadores
(Lawlor y colaboradores, 1997) como el grupo de
bacterias heterótrofas aeróbicas degradadoras de
hidrocarburos mas comúnmente encontradas en el pool de
microorganismos en suelos contaminados por
petróleo.
En la tabla 4 se muestran los valores de la
producción de CO2 para el caso de estudio. Los
valores obtenidos para la producción de CO2, se
corresponden con las concentraciones de microorganismos
encontradas para cada zona siendo los valores mayores para la
zona A de acuerdo con los microorganismos presentes.
Tabla 4. Producción de
CO2, expresada en mg de CO2/
cm2. h
0 | 41 | 76 | 122 | 166 | 201 | 229 | 265 | 293 | 329 | |
Zona A | 86 | 91 | 112 | 106 | 109 | 106 | 109 | 89 | 80 | 79 |
Zona B | 86 | 95 | 85 | 111 | 100 | 111 | 100 | 86 | 83 | 82 |
De forma grafica (Figura 6) se puede observar que en
ambas zonas se observan patrones típicos de procesos
biodegrativos, valores de producción de CO2
entre 80 y 140 mg de CO2/ cm2. h,
según experiencias de los autores en otros trabajos
realizados a escala de campo
(Álvarez, Ramos, Núñez y otros, 2003),
indicando que se está llevando a cabo la
biodegradación del crudo.
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Figura 6. Variación de la
Producción de CO2
Se sembraron plantas en el área tratada
(Piñon de jardín), lo cual, no resultó
efectivo debido a las condiciones existentes en el suelo, siendo
el crecimiento de las plantas autóctonas de la zona
indicativo de la recuperación del suelo,
Se realizaron ensayos de
toxicidad al suelo tratado por dos métodos diferentes,
bioensayo con lombrices de tierra y por
el equipo MICROTOX, no encontrándose toxicidad por ninguno
de los métodos empleados.
El análisis económico del proceso de
Biorremediación arrojó valores dentro del rango
internacional estipulado para este tratamiento (51.10 USD/
m3),
- El tratamiento de Biorremediación aplicando la
técnica de bioestimulación al área
impactada del pozo resultó efectivo, observándose
una disminución en la concentración de
hidrocarburos totales del petróleo hasta obtener valores
inferiores al 1% recomendado por las normas
internacionales - Mediante la adición de nutrientes esenciales
para el desarrollo de los microorganismos existentes,
aireación y humectación periódica del
área tratada., se logró recuperar el suelo
impactado en un periodo de un año. - Se han identificado las especies de microorganismos
degradadores de hidrocarburos en el suelo tratado. - De acuerdo a los ensayos toxicológicos, los
suelos remediados no presentan toxicidad para el desarrollo de
la biota del suelo y confirman que la
contaminación. - La reforestación artificial con la especie de
planta seleccionada no resultó efectiva, creciendo en el
suelo recuperado la vegetación autóctona del
lugar. - La evaluación económica del
tratamiento aplicado dió valores dentro del rango
internacional para la tecnología de
Biorremediación, resultando muy atractiva desde este
punto de vista para ser generalizada en el tratamiento de
suelos contaminados por hidrocarburos en países en
vías de desarrollo. - Se ha desarrollado un esquema tecnológico para
aplicar el proceso de Biorremediación en nuestras
condiciones naturales, aunque debe señalarse que no
existe un tratamiento de Biorremediación único
para los suelos contaminados ya que todos difieren entre
sí y como tal se deben tratar.
- Generalizar el uso de la tecnología de
Biorremediación para el tratamiento de suelos
contaminados por hidrocarburos en la República de
Cuba.
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1997.
ANEXO
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superior
Figura 1. Área |
AGRADECIMIENTOS.
El colectivo de autores de este trabajo quiere
agradecer especialmente a: los doctores Carmen Infante e Itaru
Okuda por su asesoría y colaboración en la
implantación de esta tecnología en
Cuba.
MSc. José A. Álvarez
González,
MSc. Ana C. Núñez
Clemente,
Tec. Gisela Novoa Rodríguez,
Dr. Miguel A. Díaz Díaz,
Lic. Silvia Acosta,
Lic. Esther Ramos Padrón,
Lic. Ricardo Campos Rodríguez,
Lic. Sandra A. Miller Palmer,
Tec, Cristina Laffitta Rivera,
Tec. Francisca González.
Centro de Investigaciones
del Petróleo
Washington # 169, Cerro, Ciudad de la Habana,
Cuba.
Telef. 6494101