Los líquidos en fase no acuosa , o NAPL , son contaminantes líquidos orgánicos que se caracterizan por su relativa inmiscibilidad con el agua. Algunos ejemplos comunes de NAPL son los productos derivados del petróleo , los alquitranes de hulla , los disolventes clorados y los pesticidas . Las estrategias empleadas para su eliminación del entorno subterráneo se han ampliado desde finales del siglo XX. [1] [2]
Los NAPL pueden liberarse al medio ambiente desde diversas fuentes puntuales , como la eliminación inadecuada de sustancias químicas, las fugas en los tanques de almacenamiento subterráneos, los efluentes de fosas sépticas y la percolación de derrames o vertederos. El movimiento de los NAPL en el entorno del subsuelo es complejo y difícil de caracterizar. No obstante, es importante comprender los diversos parámetros que determinan su movimiento para determinar las estrategias de remediación adecuadas. Estas estrategias utilizan las propiedades físicas, químicas y biológicas de los NAPL para minimizar su presencia en el subsuelo.
Las aguas subterráneas han sido una fuente históricamente importante de agua para los sistemas públicos de agua, pozos privados y sistemas agrícolas durante generaciones. Se creía comúnmente que, a medida que el agua atravesaba el suelo, se despojaba de impurezas antes de poder ingresar a los depósitos de agua subterránea; como resultado, no había mucha preocupación general sobre la contaminación del entorno subterráneo. [3]
En 1960, se habían observado contaminantes orgánicos, incluidos hidrocarburos de petróleo, derivados del alquitrán de hulla, detergentes sintéticos y pesticidas, en una extensa revisión bibliográfica sobre contaminación de aguas subterráneas que proporcionó la primera indicación de NAPL en el subsuelo. [4] A principios de la década de 1970, el desarrollo tecnológico de la cromatografía de gases proporcionó un nuevo método para detectar contaminantes de aguas subterráneas imperceptibles para los sentidos humanos. Este desarrollo condujo al descubrimiento y posterior análisis de disolventes clorados, una de las formas más nocivas de NAPL. [2] Se entendió que los NAPL son difíciles tanto de detectar como de eliminar del subsuelo. [1] Debido a que los NAPL participan en una cadena biológica de degradación, producen sustancias químicas intermedias que crean peligros particularmente agudos para la salud humana. [2]
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Estas preocupaciones de salud se hicieron más frecuentes en el ojo público después del informe de 1976 de Niagara Falls Gazette sobre la contaminación del suelo cerca de Love Canal . El descubrimiento de volúmenes tan altos de estos contaminantes, su amplia extensión geográfica y sus peligrosos efectos para la salud finalmente llevaron a la aprobación de la Ley Integral de Respuesta Ambiental, Compensación y Responsabilidad (CERCLA) y Superfund . Esta mayor atención a la contaminación de las aguas subterráneas amplió los fondos de investigación, y los estudios que siguieron revelaron una contaminación generalizada de las aguas subterráneas en los Estados Unidos. Posteriormente, se ha ampliado la comprensión de los mecanismos de transporte y el desarrollo de estrategias de remediación para contaminantes orgánicos, incluidos los NAPL. [2]
Las primeras estrategias de remediación se centraron en la restauración de la calidad del acuífero mediante la construcción de pozos para extraer y tratar el agua subterránea (la estrategia de bombeo y tratamiento), pero pronto se hizo evidente que el volumen de agua que se debía extraer y tratar era excesivamente grande e inviable. [2] Además, la construcción de pozos puede ser invasiva para el entorno del subsuelo y puede causar una infiltración más profunda de NAPL, lo que es contraproducente. [3] Si bien algunos expertos han propuesto que la eliminación completa de NAPL del entorno del subsuelo es imposible, otros ven el desafío como una oportunidad para expandir e innovar las tecnologías de remediación. [2] Como resultado, desde la década de 1980 hasta mediados de la década de 2000 se han desarrollado diversas innovaciones para detectar y mitigar NAPL que ofrecen alternativas a la estrategia de bombeo y tratamiento. [5]
El comportamiento de los NAPL en el subsuelo está determinado tanto por la composición del material del subsuelo como por las diversas propiedades de los NAPL. El subsuelo se puede clasificar en dos zonas principales: la zona no saturada (vadosa) , que incluye pequeños granos o partículas rodeadas por una fina película de agua; y la zona saturada (freática) , que contiene importantes depósitos de agua subterránea denominados acuíferos .
Los NAPL son contaminantes de origen puntual y pueden liberarse de diversas fuentes, entre las que se incluyen, entre otras, la eliminación inadecuada de sustancias químicas, las fugas en los tanques de almacenamiento subterráneos, los efluentes de los tanques sépticos y la percolación de derrames o vertederos. En condiciones de fuertes precipitaciones, el líquido se infiltrará en la zona no saturada; si hay suficiente volumen de líquido, se filtrará en la zona saturada. La porosidad del entorno subterráneo determinará la cantidad que logre ingresar en la zona saturada. [3]
Las propiedades microscópicas de los NAPL determinan su comportamiento en el campo. [1] Si entran en la zona saturada, su densidad relativa a la del agua determinará cómo se comportan. Como resultado, los NAPL se clasifican en función de su densidad relativa en dos tipos principales: líquidos ligeros en fase no acuosa (LNAPL) y líquidos densos en fase no acuosa (DNAPL) . Los LNAPL tienden a flotar en el nivel freático , mientras que los DNAPL tienden a hundirse y, en algunas condiciones, a acumularse en el fondo. En comparación con los LNAPL, los DNAPL son más tóxicos y menos biodegradables. [3]
Hay una variedad de parámetros específicos del entorno del subsuelo que es importante considerar en los modelos cuantitativos del comportamiento de las NAPL. Algunos de estos parámetros incluyen la permeabilidad del suelo , la humedad, la distribución del tamaño de las partículas, la fuerza capilar , la humectabilidad y la velocidad del flujo de agua subterránea. [1] [3] La recopilación de estos datos es heterogénea y compleja por naturaleza. [3]
Los LNAPL y DNAPL pueden existir en múltiples fases diferentes simultáneamente al ingresar al entorno del subsuelo. La composición de los NAPL se describe típicamente utilizando un modelo multifásico que depende de una variedad de parámetros complejos e interrelacionados, que incluyen, entre otros, la viscosidad , la solubilidad y la volatilidad ; las posibles fases de los NAPL incluyen hidrocarburos gaseosos, sólidos, acuosos e inmiscibles. [1] [3]
La fase líquida de los NAPL se caracteriza por una superficie divisoria física que la separa de la fase líquida del agua, lo que indica inmiscibilidad debido a la estructura orgánica de los NAPL. Dicho esto, algunos compuestos químicos dentro de los NAPL son capaces de solubilizarse en agua, lo que significa que pueden existir simultáneamente dos fases líquidas de NAPL (hidrocarburo inmiscible y soluto acuoso). La fase gaseosa de los NAPL también es responsable de la contaminación de las aguas subterráneas y el suelo; por lo tanto, es importante cuantificar la distribución de los NAPL entre sus diversas fases para evaluar el grado de contaminación y determinar las estrategias de remediación adecuadas. [1]
La zona no saturada comprende un medio poroso que consiste en pequeñas partículas, alrededor de las cuales existe una fina película de agua que actúa como una membrana . El resto del espacio entre estas partículas consiste en aire. Por lo tanto, los NAPL pueden permanecer como un hidrocarburo inmiscible, disolverse en agua, adsorberse en material poroso sólido o vaporizarse en forma gaseosa. [3]
Este modelo de cuatro fases es muy variable e incluso puede cambiar dentro de un sitio en particular durante las diferentes etapas de la remediación del sitio. Por lo tanto, es importante monitorear continuamente la distribución de fases caso por caso. Cada una de estas fases difiere en términos de su movilidad y sus técnicas de remediación disponibles. Las fases más móviles de NAPL son la fase volatilizada/gaseosa y la fase solubilizada/acuosa, mientras que las fases menos móviles de NAPL son la fase adsorbida/sólida y la fase líquida inmiscible. [1] Debido a estas complejidades, el flujo es más difícil de medir en la zona no saturada que en la zona saturada. [3]
La contaminación de la zona no saturada es peligrosa debido a la posibilidad de que se filtre a la zona saturada, donde se encuentran los acuíferos, y a la posibilidad de dañar la vida ecológica. [3] El hecho de que los NAPL lleguen o no a la zona saturada está determinado por un parámetro llamado saturación residual. La saturación residual es causada por la acción capilar, que inmoviliza los NAPL y restringe su infiltración en la zona saturada. [1]
En la zona saturada, los espacios entre las partículas están llenos de agua. Por ello, en esta zona se utiliza un modelo trifásico de distribución de fases de NAPL, que excluye la fase gaseosa. [3] Una vez que los NAPL alcanzan el nivel freático en la zona saturada, los LNAPL flotan mientras que los DNAPL se hunden. Tanto los LNAPL como los DNAPL pueden permanecer en el nivel freático durante largos períodos de tiempo, disolviéndose lentamente y formando columnas químicas nocivas; por este motivo, la remediación en la zona saturada es de particular importancia para los científicos. [3] [5]
Las fases líquidas de DNAPL continuarán moviéndose verticalmente hacia abajo a través de la zona saturada hasta que su volumen se agote por saturación residual o su camino sea interceptado por la capa de baja permeabilidad , momento en el cual los DNAPL comenzarán a migrar horizontalmente. Si el límite de permeabilidad inferior tiene forma de cuenco, el DNAPL puede formar un reservorio similar a un estanque . [1] Por el contrario, tanto las fases de DNAPL saturadas residualmente como las adsorbidas son relativamente inmóviles y más difíciles de eliminar. El movimiento de DNAPL en la zona saturada también puede verse influenciado por la actividad antropogénica, incluidos pozos de sondeo sin sellar y pozos de muestreo y pozos de monitoreo sellados incorrectamente. [3]
Un volumen relativamente pequeño de NAPL puede crear condiciones tóxicas en las aguas subterráneas, y los NAPL pueden permanecer en el subsuelo, contaminando continuamente las aguas subterráneas, durante décadas o incluso siglos. [3] [6] Además, los NAPL son difíciles de detectar, en particular debido a su comportamiento multifásico. Como resultado, las estrategias de detección, además de las estrategias de remediación, son importantes en el esfuerzo por eliminar los NAPL del medio ambiente. En este sentido, es importante cuantificar las distribuciones geográficas y de fase de los NAPL, además de dónde han estado y hacia dónde pueden dirigirse. [3]
Para determinar las características específicas del sitio, por ejemplo, el material del suelo y los parámetros del nivel freático, se pueden utilizar los recortes de perforación y los núcleos. Los estudios de gas del suelo se pueden utilizar como un procedimiento de detección preliminar para determinar el grado de contaminación debido a los componentes volátiles. Algunas de las estrategias actuales para detectar y analizar la presencia de NAPL incluyen la cromatografía de gases, la cromatografía líquida de alta presión y la reflectometría de dominio temporal. Dicho esto, se justifica la investigación adicional en esta área. [3] [5]
La mitigación de los LNAPL tiende a ser menos compleja y requiere estrategias de ingeniería más simples. Por el contrario, los DNAPL pueden filtrarse en grietas en el material original del subsuelo, lo que complica tanto su movimiento como la tecnología necesaria para su mitigación. [3] En el mejor de los casos, el DNAPL es continuo y se ha acumulado como un reservorio sobre la capa impermeable. En este escenario, se puede perforar e instalar un pozo de recuperación. Cuando se trata de la remediación de DNAPL, cuanto antes se elimine, mejor. [6]
Algunos de los propósitos de la perforación de pozos incluyen: uso personal, mediciones de la carga hidráulica , pruebas de acuíferos y remediación de varios contaminantes. [ aclaración necesaria ] El "bombeo y tratamiento" es particularmente eficaz para eliminar LNAPL que flotan sobre el nivel freático. [3] Se deben realizar esfuerzos durante la perforación de pozos para minimizar las perturbaciones que podrían causar una mayor infiltración de DNAPL en el subsuelo. Es fácil perforar sin saberlo a través de un depósito de DNAPL, lo que hace que el depósito se drene más hacia el acuífero. [3] [5]
Si bien es posible estudiar la dirección y el movimiento del flujo de agua subterránea mediante la perforación de pozos, este método no siempre es eficaz para determinar el movimiento de los NAPL porque pueden fluir en diferentes direcciones. [1] Algunas estrategias relacionadas para determinar la extensión horizontal y vertical de la presencia de NAPL utilizan las propiedades químicas de los NAPL , como la reflectometría del dominio del tiempo que utiliza la permitividad eléctrica relativa de los NAPL . [5]
Debido a que la estrategia de bombeo y tratamiento implica la captación de un volumen de agua subterránea irrealmente alto, la filosofía general ha pasado de la "captura total" a las estrategias de contención, que implican el uso de estructuras físicas para controlar el movimiento de las columnas de fase acuosa. [6] La naturaleza altamente corrosiva de los NAPL puede aumentar los problemas de mantenimiento asociados con estas estructuras físicas. [1] Algunos ejemplos de estas estructuras incluyen barreras de lodos, barreras de vigas vibratorias, muros de lechada a chorro y revestimientos de geomembrana. [6]
El propósito de los surfactantes es movilizar varios componentes de los NAPL al reducir su viscosidad y tensión interfacial. Los agentes solubilizantes aumentan la solubilidad de los NAPL y los transfieren a la fase acuosa, lo que permite su extracción y tratamiento. Los agentes movilizadores se dirigen al componente residualmente saturado de los NAPL, lo que permite su desplazamiento mediante una inundación continua. [6] Si bien los surfactantes son altamente efectivos, lo que da como resultado la recuperación del 94% del DNAPL original en estudios de caso, también son costosos y prohibitivos en términos de costo, lo que también puede afectar negativamente el pH del entorno del subsuelo. [1]
Esta forma de remediación es posiblemente la tecnología in situ más aceptada para la eliminación de NAPL en la zona no saturada. La extracción por vacío del suelo (SVE) aumenta la volatilidad de los NAPL mediante el uso de un vacío que induce el flujo de aire. Este proceso transforma el NAPL en la fase gaseosa y luego elimina esos componentes gaseosos del subsuelo, lo que permite extraerlos y tratarlos. Los compuestos menos volátiles pueden aumentar su volatilidad mediante la aplicación de calor, que luego se sigue con SVE. La extracción multifásica implica un vacío de mercurio de 18 a 26 pulgadas que puede extraer simultáneamente las fases gaseosa, acuosa e inmiscible de NAPL. [6] Además, se cree que la SVE mejora la degradación aeróbica de los NAPL, lo que mejora la rentabilidad al reducir la cantidad de tratamiento superficial necesario. [1]
Las estrategias de remediación química generalmente implican reacciones redox , las más comunes de las cuales incluyen la oxidación química directa, la reducción química directa, la oxidación secundaria de reducción y la decloración mejorada con metales . El tratamiento adecuado depende en gran medida del contaminante específico. Las estrategias químicas son el método más directo y rápido para remediar los solventes clorados, que son uno de los tipos más frecuentes de NAPL. [6]
Un desafío en lo que respecta a las estrategias químicas es la existencia de reacciones competitivas que limitan la eficacia del tratamiento. Otro desafío es la presencia de subproductos que podrían provocar la propagación del contaminante en cuestión. [6]
Las técnicas de aplicación incluyen la inyección a través de pozos o la colocación de una matriz de tratamiento sólida . En última instancia, el factor más importante que determina la viabilidad de un enfoque de tratamiento químico es si las condiciones del subsuelo permitirán una aplicación eficaz. [6]
Se ha hecho posible acelerar los procesos biológicos aeróbicos , anaeróbicos y aeróbicos y/o anaeróbicos secuenciales naturales para minimizar la presencia de NAPL en el ambiente del subsuelo. La mayoría de las estrategias de biorremediación se basan en la presencia de poblaciones específicas de bacterias/microorganismos y la adición de carbono orgánico para estimular la biodegradación. Este carbono orgánico se puede suministrar mediante la inyección de fuentes de carbono orgánico soluble como lactato , alcoholes , suero de queso, etc. y la colocación de donantes de electrones de liberación lenta como emulsiones de aceite vegetal y aceite de soja . [6]
Para que se produzca la biodegradación aeróbica es necesario que exista suficiente oxígeno disuelto, que puede obtenerse mediante estrategias como la inyección de aire y la eliminación de vapores sólidos. Dicho esto, la capacidad de suministrar suficiente oxígeno es un factor limitante que afecta al éxito de este tipo de estrategia de remediación. Además, en muchos casos se requiere la presencia de inductores como el metano , el propano , el amoníaco o el tolueno , que son contaminantes en sí mismos que son inherentemente dañinos para el medio ambiente del subsuelo. [6]
Otro desafío es mantener una población suficiente de bacterias/microorganismos frente a la competencia de las bacterias nativas y otras presiones externas. También existe una resistencia regulatoria al uso de bacterias modificadas genéticamente . Además, los NAPL pueden no estar fácilmente biodisponibles , lo que limita la eficacia de las estrategias de biodegradación. En este sentido, la biodegradación puede no ser apropiada como solución única, pero ciertamente puede usarse junto con otras estrategias. [6]