Remediación de hidrocarburos. Proyecto BIOXISOIL

M.J. Fernández Alonso, C. Ortiz Oñate, L. Gómez Fernández, A. Rubio Sánchez (Universidad Politécnica de Madrid)

En Europa existen más de 3 millones de emplazamientos potencialmente contaminados, de los cuales aproximadamente 250.000 necesitan una remediación urgente (Panagos et al. 2013) aplicando métodos concretos para la remediación de hidrocarburos. En España en 2005, el inventario nacional cifró en 4.532 los emplazamientos potencialmente contaminados (Tarazona et al. 2005), localizándose muchos de ellos en áreas protegidas. En pleno Parque Natural de la Bahía de Cádiz se localiza la terminal de suministro de combustibles a navíos de La Armada Española “La Clica”, perteneciente al histórico Arsenal de La Carraca; tenemos pues un caso paradigmático de emplazamiento afectado por vertidos de hidrocarburos en un área natural de gran interés ambiental. El proyecto LIFE+ BIOXISOIL es un proyecto demostrativo que tiene como objetivo ensayar en este emplazamiento de aproximadamente 15.000 m2 diferentes tecnologías biológicas de remediación de suelos (fitorremediación y biorremediación)para la remediación de hidrocarburos junto con el proceso de oxidación química in-situ (conocido por su acrónimo en inglés ISCO); explorando además posibles sinergias que mejoren el rendimiento individual de cada tecnología, logrando a la vez la restauración funcional del suelo. Todo ello sin comprometer la actividad militar que se sigue desarrollando.

Conocido es que el suelo es uno de los reservorios de carbono (C) terrestres más importantes, pero también es uno de los más sensibles a la actividad humana. Los suelos contienen entre 1.400-1.500 Pg de C (1 Petagramo = 1015 gramos), que es aproximadamente el doble de la concentración de C en la atmósfera (Smith y Fang 2010). Sin embargo, la contaminación reduce la capacidad de los suelos para actuar como sumideros de C y con ello poder contrarrestar el calentamiento climático. La principal salida del C orgánico del suelo se produce como consecuencia de la respiración radicular de la vegetación y de la actividad de los microorganismos edáficos que, como fuente de emisión de CO2 a la atmósfera, supera en más de 10 veces los flujos antropogénicos resultantes de la quema de combustibles fósiles (Raich y Tufekciogul 2000).
Dada la importancia del suelo como reservorio de C y su sensibilidad a la actividad humana, en el proyecto BIOXISOIL se está llevando a cabo una monitorización de las emisiones de CO2 de los suelos con el fin de valorar la eficiencia de los diferentes tratamientos de descontaminación implantados y sus múltiples combinaciones. Este proyecto además, tiene un enfoque multidisciplinar puesto que no sólo busca reducir la presencia de hidrocarburos totales de petróleo en suelos y aguas, sino que también se preocupa por la sostenibilidad ambiental de la remediación de hidrocarburos. Por ello, paralelamente a la implantación de la descontaminación, se está utilizando el Método Compuesto de las Cuentas contables (MC3) para cuantificar el indicador de sostenibilidad Huella de Carbono de las tres tecnologías ensayadas.

LOCALIZACIÓN Y CARACTERÍSTICAS DEL EMPLAZAMIENTO
El área afectada por la contaminación se encuentra dentro de la terminal de suministro de combustible a navíos de La Clica, localizada en El Arsenal de La Carraca, perteneciente al Municipio de San Fernando, en la provincia de Cádiz (Fig. 1). Los antiguos vertidos accidentales de petróleo que se produjeron como consecuencia de las labores de almacenamiento y trasvase de combustible en este emplazamiento, han dado lugar a una distribución heterogénea de los hidrocarburos tanto en superficie como en profundidad. La concentración de hidrocarburos totales de petróleo llega a alcanzar los 33,5 g/kg de suelo en las áreas de mayor afección por la contaminación.

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Figura 1 – Localización de la parcela de 15000 m2, en el municipio de San Fernando (Cádiz, España).

Dada las especiales características del entorno de marisma en el que se halla La Clica nos encontramos con un nivel freático variable a lo largo del año y unas características físico-químicas de los suelos muy especiales marcadas por períodos de encharcamiento acusado y por altos niveles de sales. Si bien el suelo de La Clica ha sido históricamente muy alterado, bajo los primeros centímetros afectados por movimientos de tierras es posible reconocer los suelos naturales de la zona. Dichos suelos son Entisoles originados sobre depósitos de marisma, con régimen de humedad ácuico que provoca encharcamientos durante un periodo de tiempo variable en las estaciones más húmedas, pH y salinidad elevados, textura franco-arcillosa que incrementa la granulometría más fina en profundidad hasta alcanzar un horizonte de fangos (>150 cm) que por lo general presenta compactación. Los stocks de C en los primeros 10 cm oscilan entre 4.5 – 16 Mg C / ha, valores que pueden ser considerados inferiores a los de otros suelos naturales.

EMISIONES DE CO2 Y TRATAMIENTOS

Con el fin de registrar las emisiones de CO2 del suelo se han instalado de forma permanente en campo 27 anillos respiratorios (3 por tratamiento o combinación, siendo la zona A – Fitobarrera, B – Fitorremediación, C -Bioremediación, D – Fitorremediación con Biorremediación, E- Fitorremediación y Biorremediación con ISCO, F – Fitorremediación, G – Fitorremediación con ISCO, H – ISCO e I – Control, ver Fig. 2). En cada campaña de medida se está registrando el flujo instantáneo de emisión utilizando cámaras estáticas cerradas sobre los 27 anillos y un medidor de gases por infrarrojos portátil. Además, se están monitorizando otras variables ambientales que condicionan estos flujos como son la presión atmosférica, el contenido de humedad del suelo, la temperatura media del aire y la de los primeros 10 cm de suelo (Fig. 3). Este monitoreo se inició en enero de 2014, tiene una periodicidad trimestral y se mantendrá hasta finalizar el proyecto en septiembre de 2016.

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Figura 2 – Distribución de los anillos respiratorios en cada tratamiento de remediación.

EL TRATAMIENTO ISCO

l tratamiento ISCO se ha aplicado en las zonas de mayor afección por contaminación (Zonas E, G y H; Fig. 2). En estas áreas, a través de una red de piezómetros de control y de pozos de inyección se ha introducido un oxidante químico fuerte (Fig. 4), el peróxido de hidrógeno, junto con ácido cítrico como agente quelante. De esta manera tiene lugar en el subsuelo la transformación directa e indirecta de los hidrocarburos de petróleo a agua y dióxido de carbono (Cadotte et al 2007). El CO2 generado en la reacción entre el oxidante y el contaminante y/o el suelo se asume que es liberado a la atmósfera (Lemming et al 2012), de manera que podremos registrarlo y su cuantificación utilizarla como indicador del progreso de la remediación de hidrocarburos.

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Figura 3 – Izquierda: Prototipo diseñado y construido expresamente para la aplicación del tratamiento ISCO en el BIOXISOIL. Derecha: Detalle de uno de los piezómetros durante una de las operativas de inyección.

 

EL TRATAMIENTO DE BIORREMEDIACIÓN

La biorremediación, entendida como una estimulación de la actividad microbiana natural del suelo, es un tratamiento más versátil, eficiente y económico que el tratamiento químico, ya que supone la degradación de los hidrocarburos presentes en el suelo por la propia comunidad microbiana edáfica. En las parcelas C, D y E (Fig. 2), se están llevando a cabo acciones que propician las condiciones fisicoquímicas y biológicas óptimas en los suelos (presencia de nutrientes, disponibilidad de agua y oxígeno) y además incrementen la biodisponibilidad de los contaminantes para maximizar la actividad microbiana y con ello las tasas de biodegradación. Entre las tareas llevadas a cabo en relación a la biorremediación están la roturación del suelo, para favorecer la aireación, la instalación de riego por aspersión, la aplicación periódica de surfactantes, para incrementar la biodisponibilidad de los hidrocarburos, así como la aplicación de bioestimulantes oleofílicos, para aportar los nutrientes necesarios. Un aumento progresivo de la cantidad de CO2 liberado a la atmósfera en los suelos bajo tratamiento de biorremediación podría estar indicando que la comunidad microbiana del suelo está utilizando determinadas fracciones de hidrocarburos de petróleo como fuente de carbono y energía (Obire and Nwaubeta 2001).

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Figura 4 –Sup. Izquierda: Detalle del riego por aspersión instalado en la parcela de Biorremediación. Sup. Derecha: Contraste entre la parcela de biorremediación recién roturada y la apertura de las líneas de plantación para la fitorremediación. Inferior: Líneas de plantación según la especie en las parcelas con fitorremediación.

EL TRATAMIENTO DE FITORREMEDIACIÓN

En la aplicación del tratamiento de Fitorremediación se han utilizado 2.200 plantones de 5 especies arbóreas y arbustivas diferentes en las zonas B, D, E, G y H (Fig. 2). Este tratamiento comprende casi la totalidad del emplazamiento puesto que, además de la mencionada acción fitorremediadora, también se pretende que constituya la base para la ulterior actuación de restauración que se llevará a cabo en La Clica. Las especies escogidas han sido Populus nigra y Populus alba, por su interés como especies mejoradas genéticamente, así como Tamarix gallica, Salix purpurea y Pistacia lentiscus, por ser especies que están perfectamente adaptadas a las condiciones naturales que concurren en La Clica. El marco de plantación utilizado es de 3 x 2 m, siendo más reducido en la zona A dónde se ha plantado una fitobarrera como medida de contención para impedir la migración de los contaminantes. Además para garantizar el éxito de esta plantación se ha instalado un riego por goteo. En general, se esperan bajas tasas de extracción y metabolización de los hidrocarburos por la planta debido a las características químicas de los contaminantes (alto peso molecular, baja solubilidad en agua y naturaleza hidrofóbica). Sin embargo, se espera que la plantación incremente el contenido de carbono orgánico en el suelo, a la vez que favorezca una mayor cantidad y diversidad de microorganismos edáficos; este último aspecto vendrá facilitado como consecuencia de que en la rizosfera hay un alto aporte de exudados radiculares y se incrementa la disponibilidad de oxígeno, tanto a través de su transporte como de la mejora en la estructura y porosidad del suelo, lo que implica una elevada tasa de biodegradación de los hidrocarburos. Estos procesos conllevan de nuevo incrementos en la respiración autótrofa y heterótrofa del suelo, de manera que cabe esperar mayores tasas de emisión de CO2 en las zonas de fitorremediación que en las zonas control, de nuevo algo indicativo del éxito de la remediación de hidrocarburos.

RESULTADOS PRELIMINARES DE LAS EMISIONES DE CO2

A pesar de que la aplicación de las técnicas de descontaminación (fitoremediación, biorremediación, ISCO y sus múltiples combinaciones) se está realizando de forma progresiva y no finalizará hasta septiembre de 2016, en la actualidad tenemos una base de datos lo suficientemente grande (más de 200 flujos instantáneos de emisión correspondientes a 6 campañas de medida, expresados en mgC-CO2·m-2·h-1) como para empezar a valorar los primeros resultados.

Si atendemos a los flujos medios de emisión de CO2 por tratamiento (Fig. 7) se comprueba que para los primeros 17 meses de aplicación de las tecnologías para la remediación de hidrocarburos, todos los tratamientos muestran valores medios superiores a los registrados en las zonas control (sin aplicación de tratamiento). En este sentido hay que señalar que en la biorremediación y en la aplicación combinada de las tres tecnologías estos valores son significativamente superiores.

En el caso concreto de la biorremediación, si acudimos a los datos registrados por campaña de medida, se comprueba que los flujos respiratorios del suelo se disparan tras la primera aplicación de bioestimulante y surfactante, en mayo de 2015 (496.9 mgC-CO2·m-2·h-1), con respecto a los controles (105.54 mgC-CO2·m-2·h-1). En la Figura 8 se muestra cómo en todas las campañas de medida, los flujos instantáneos de emisión de CO2 cuando se combinan las tres tecnologías son siempre superiores a los controles, incrementándose las diferencias conforme está avanzando el proyecto y se van implementando las acciones para la remediación de hidrocarburos.

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Figura 5 – Valores medios de los flujos instantáneos de emisión de CO2 por tratamiento para las primeras seis campañas de medida en campo. Las barras de error representan el error estándar. Significación: ‘***’ p<0.001 y ‘**’ p<0.01.

CONCLUSIONES

Atendiendo a los resultados logrados hasta el momento podemos concluir que:

  • La combinación de los tres tratamientos biorremediación, fitorremediación e ISCO maximiza las emisiones de CO2, lo que podría estar indicando un mayor rendimiento de la remediación de hidrocarburos.
  • Al finalizar el proyecto (septiembre 2016) se dispondrá de una visión más amplia de la evolución de las emisiones de CO2, y se comprobará el verdadero éxito en la remediación de hidrocarburos presentes en el suelo y en el agua subterránea, poniendo de manifiesto si efectivamente este registro de emisiones es un indicador adecuado para valorar el progreso de la remediación de hidrocarburos.

REFERENCIAS

Cadotte M, Deschênes L, Samson R (2007) Selection of a remediation scenario for a diesel-contaminated site using LCA. Int J Life Cycle Assess 12:239–251. doi: 10.1007/s11367-007-0328-2

Lemming G, Chambon JC, Binning PJ, Bjerg PL (2012) Is there an environmental benefit from remediation of a contaminated site? Combined assessments of the risk reduction and life cycle impact of remediation. J Environ Manage 112:392–403. doi: 10.1016/j.jenvman.2012.08.002

Obire O, Nwaubeta O (2001) Biodegradation of Refined Petroleum Hydrocarbons in Soil. J Appl Sci Environ Manag 5:43–46.

Panagos P, Liedekerke M Van, Yigini Y, Montanarella L (2013) Contaminated Sites in Europe: Review of the Current Situation Based on Data Collected through a European Network. J Environ Public Health 2013:1–11. doi: 10.1155/2013/158764

Raich JW, Tufekciogul A (2000) Vegetation and soil respiration: correlations and controls. Biogeochemistry 48:71–90.

Smith P, Fang C (2010) Carbon cycle: A warm response by soils. Nature 464:499–500. doi: 10.1038/464499a

Tarazona J V., Fernandez MD, Vega MM (2005) Regulation of Contaminated Soils in Spain – A New Legal Instrument (4 pp). J Soils Sediments 5:121–124. doi: 10.1065/jss2005.05.135

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