Modelo Fenomenológico para Biorremediación in-situ de un Suelo Contaminado con Hidrocaburos del Petróleo

1. 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)laquinte@unal.edu.co, (2)scardona@unal.edu.co, (3)hdalvare@unal.edu.co 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 Balances de masa Balance energético 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. Balance de transporte 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. 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. II Etapa: Estudio de sustrato como grupo contaminante. 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. 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. 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. 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. Gráfico1. Representación esquemática de reactor flujo pistón. V Etapa: Estudio de consideraciones. VI Etapa: Aplicación de balances de masa, energía y transporte. Gráfico 3. Sistema de control de reactor flujo pistón para balance de energía. Gráfico 2. Sistema I Zona vadosa. Referencias 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. Álvarez, P.; Illman, W. 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