BIOAUMENTACIÓN

La bioaumentación es el término general que se suele emplear para referirse al incremento en la cantidad de agentes descontaminantes, en especial a microorganismos (virus, bacterias, actinomicetos), proceso que se puede llevar a cabo tanto in-situ como ex-situ, siempre dependiendo de factores económicos, del tipo de contaminante y de las facilidades que existan para manejo ex-situ o la adquisición de los bioremediadores en las cantidades y de la calidad requeridos.

Lección 41. Introducción.

La introducción de organismos puede realizarse tanto de organismos nativos como de organismos moficados genéticamente siempre teniendo en cuenta los conteos iniciales de microorganismos y las capacidades degradadoras de los organismos seleccionados, en especial cuando se trata de organismos genéticamente modificados.

Cualquiera que sea el caso, en tratamientos in-situ o ex-situ, se debe tener en cuenta las propiedades del sustrato, para lo cual se requiere de una valoración inicial de los principales contaminantes y sus concentraciones, debido a que si se superan los límites tolerantes por los microorganismos estós serán ihhibidos o eliminados. A partir de estos datos también es importante considerar el tipo de tratamiento que va a ser mas adecuado, debido a que la degradación de algunos contaminantes se realiza mejor bajo condiciones aeróbias y en otros casos en condiciones anaerobias, mientras en otros casos se requerirá de tratamientos mixtos (aerobio-anaerobio) o trabajo complementario entre varios organismos, de acuerdo a esto se debe considerar el mejor tratamiento de bioaumentación y los microorganismos que han de ser empleados.

Una de las técnicas más empleadas para reducir la contaminación por hidrocarburos ex- situ en Ecuador es el uso de compostas, cuya efectividad fue comprobada por Espinosa Andrade, (2009)(Figura 41).

Figura 41: Representación gráfica de un sistema de biopilas alargadas (Velasco & Volke Sepúlveda, 2003).

147 Un pila o apilamiento de compost está compuesta de capas de material vegetal verde muerto que entra en proceso de descomposición, material vegetal seco y generalmente con adición de cal para reducir el pH, y como requerimiento la adición de microorganismos que van a realizar la actividad biodegradadora. Cuando la pila de compost tiene propósitos de bioremediación se adicionan los sustratos a recuperar o bioremediar en capas intermedias y por lo general son suplementados con microorganismos y/o nutrientes.

Si en el proceso se generan gases o vapores de hidrocarburos volátiles regulados por la autoridad ambiental, o las condiciones climatológicas de la zona pueden afectar negativamente la eficiencia del proceso, la pila del suelo se debe cubrir con membranas o poner techo de forma similar a los invernaderos. Los vapores generados en el proceso se deben colectar y tratar antes de ser emitidos a la atmósfera. Lo que incurre a costos adicionales.

Entre las técnicas ex-situ también se encuentra el tratamiento de biosuspensión, el cual es conocido como sistema biorreactor o contacto líquido-sólido. El procedimiento consiste en excavar el suelo contaminado y luego introducirlo en un reactor añadiendo nutrientes, agua, y los cultivos microbianos adecuados para que se lleve a cabo la degradación. Se mezcla bien y se airea la suspensión hasta que las transformaciones de los compuestos

seleccionados su eliminación alcanzan el nivel deseado. A continuación se detienen el

mezclado y la aireación, y se deja a los sólidos separarse de los fluidos por sedimentación. El sedimento es retirado y, si la transformación ha tenido éxito, el suelo se devuelve a su lugar de origen, mientras que los líquidos se tratan como aguas residuales.

El tratamiento vía suspensión puede aplicarse en particular a los suelos contaminados con residuos oleosos y de consistencia alquitranada (siendo estos compuestos difíciles de biode gradar). Es más rápido y requiere menos superficie que otros sistemas. Se ha usado para tratar suelos contaminados con herbicidas (2,4-D, clorofam), insecticidas (lindano, clordano, paratión), clorofenoles (PCP) y nitrofenoles, BPCs, HTPs y HAPs (Alexander, 1994). También se ha aplicado efectivamente para tratar desechos con concentraciones relativamente altas de metales (Eweis et al., 1998).

Debido al energético mezclado y a la aireación forzada se favorece el escape de emisiones de aire, por ello la suspensión no es una buena elección para suelos donde la mayoría de los compuestos sean volátiles. Esta técnica demanda mayor cantidad de dinero a comparación de otras técnicas de biodegradación (Torres Delgado & Zuluaga Montoya, 2009).

El éxito de estas inoculaciones depende no sólamente de factores abióticos como el pH, temperatura, potencial de reducción y la disponibilidad de agua y nutrientes, sino también

148 de factores bióticos tales como la competencia microbiana, amensalismo, parasitismo y depredación, que pueden limitar el crecimiento y desarrollo de las poblaciones inoculadas (Garbisu et al., 2002).

Entre los beneficios se encuentran: A) Reducción de la formación del H2S (Ácido sulfhídrico). B) Mejoramiento de la bioactividad. C) Reducción de la DBO (Demanda bioquímica de oxígeno). D) Mejoramiento de la estabilidad del sistema. E) Mejoramiento de la sedimentación de sólidos. F) Reducción del volumen de lodos.

Para el tratamiento in-situ, dentro de los cuales el más ampliamente conocido es el “landfarming”, dada la necesidad de excavación y posterior depósito del suelo contaminado, se requiere una superficie de trabajo relativamente grande cuyas dimensiones dependen del volumen de suelo a tratar (Figura 42).

Figura 42: Unidades de tratamiento (Ercoli, 2008).

Antes de llevar a cabo la bioaumentación en un sitio, deben realizarse cultivos de enriquecimiento, aislar microorganismos capaces de cometabolizar o utilizar el contaminante como fuente de carbono, y cultivarlos hasta obtener grandes cantidades de biomasa (Alexander, 1994).

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Lección 42. Parámetros de diseño.

Röben (2002) describio un conjunto de elementos a estudiar antes de crear una planta de compostaje, estos procesos pueden ser también aplicados en el caso de bioaumentación en el proceso de Landfarming, en donde la premisa fundamental radica en estudiar minuciosamente la situación actual y las posibilidades económicas.

El estudio de factibilidad debería comprender al menos los siguientes puntos (Röben, 2002):

1. Desechos sólidos.

- Cantidad de los desechos sólidos.

- Cantidad de los desechos biodegradables.

- Los desechos biodegradables especiales para considerar (tipo de contaminante); cantidad y tipo de esos desechos.

2. Lugar previsto.

- Area disponible (considerando la tecnología que se intenta implementar, la cantidad de material, un área adecuada para almacenar el compost y una laguna de tratamiento de las aguas lixiviadas).

- Material del suelo. - Costo del terreno. 3. Clima local.

- Nivel de precipitaciones (importante especialmente en la Amazonía). 4. Operación de la planta de compostaje.

- Personal disponible en el municipio (obreros, personal técnico). - Posibilidades de contratar nuevo personal.

- Nivel de formación del personal. - Capacitaciones necesarias.

- Alternativa de contratar el manejo de la planta de compostaje a una microempresa.

- Análisis económico y técnico. 5. Tecnología seleccionada.

- Planta manual o mecanizada?.

- Cuales unidades de la planta se pueden o deben mecanizar?.

- Presupuesto necesario para inversión y operación de las alternativas consideradas.

- Ventajas y desventajas técnicas.

- Capacidad financiera para asumir los costos.

- Cotizaciones de diferentes productores para las unidades mecanizadas.

Una vez hecha la anterior valoración, el diseño de la bioremediación es bastante sencillo y depende mucho de los requerimientos de las entidades gubernamentales en cuanto a eficiencia del proceso, los tiempos estimados y los resultados esperados.

150 Cualquiera que sea el proceso se requiere de:

 Caracterización de los contaminantes y su distribución en el terreno.

 Caracterización del terreno, determinar características geológicas e hidrogeológicas (Ej: presencia y velocidad de aguas subterráneas).

 Selección de los nutrientes y condiciones de biorremediación. Ej: Oxígeno (proceso aerobico) y/o poder reductor (proceso anaeróbico), necesidad de calefacción o electroestimulación.

 Generalmente requiere del estudio de los microorganismos presentes en el sitio y su capacidad para realizar la remediación deseada. Esta sujeta a las restricciones de geología e hidrogeología.

 Optimización de acceso a nutrientes y contaminantes: Vías de inyección o entrega de nutrientes, uso de biosurfactantes.

 Evaluar uso de procesos químicos y/o físicos complementarios a la biorremediación.

 Determinar las vías metabólicas principales y la posible producción de metabolitos inhibitorios o tóxicos.

 Diseñar e implementar métodos de evaluación del proceso de biorremediación: NMP, BIOLOG, determinación de sustratos, productos y metabolitos intermediarios.

En el caso del compostaje, la pila de material vegetal ha de ser de por lo menos un metro de altura por uno de ancho, y el largo solo está limitado de las dimensiones del terreno, lo cual favorece la actividad de los diferentes microorganismos involucrados (mesófilos, termófilos, aerobios y anaerobios). Aunque las dimensiones de ancho y alto pueden ser mucho mayores ya que en al finalizar el proceso las pilas de compost pueden corresponder a la tercera parte del volumen inicial. En el fondo de la pila el sistema cuenta con un aislante que generalmente son geomembranas o canales plásticos para el control de lixiviados. Estas pilas de compost pueden ser aireadas de forma activa, volteando la pila, o bien de forma pasiva, mediante tubos perforados de aireación, con distribución permanente de nutrientes, microorganismos y aire. En principio, las biopilas se pueden aplicar a la mayoría de los compuestos orgánicos, siendo más eficaz en los compuestos de carácter más ligero.

Entre los factores a tener en cuenta se encuentran la humedad, el pH, la temperatura del suelo, el contenido de oxígeno, la concentración de nutrientes, la textura del suelo; y entre los parámetros de los contaminantes se encuentran la volatilidad, la estructura química, concentración y toxicidad (Cuadro 20). Entre los factores que influyen en la aplicación de las biopilas se destacan los hidrocarburos deben ser no halogenados y deben encontrarse en el suelo en concentraciones menores a 50.000 ppm.

151 Cuadro 20: Estructura química y biodegradabilidad (EPA, 1994b).

Los parámetros edáficos que determinan y condicionan la elección de un suelo para "landfarming" son: textura, estructura, pH, temperatura, porosidad, velocidad de percolación, capacidad de retención de agua, infiltración, contenido de oxígeno, contenido de macro y micronutrientes, humedad. La bibliografía existente al respecto indica la necesidad de mantener la relación hidrocarburo/N/P/K de manera que no exceda los valores 100/10/1/1 (María Graciela Pozzo Ardizzi et al., 2010).

La fase biótica indígena de un suelo, posee naturalmente formas de resistencia que les permiten sobrevivir por largos períodos sin realizar actividades metabólicas, ante condiciones ambientales desfavorables. Un adecuado manejo del sistema suelo, permite amortiguar los efectos ambientales, generando una proliferación cuali y cuantitativa de los microorganismos autóctonos, permitiendo que realicen sus funciones bioquímicas en forma continua, aunque temporalmente menos activa. Los organismos alóctonos que se puedan incorporar a un suelo, generalmente, no participan significativamente en la actividad comunitaria. Esta población demanda un cierto período de adaptación, llegando a crecer y reproducirse, manteniéndose por cortos períodos, debiendo competir con las poblaciones autóctonas, por espacio colonizante, por nutrientes y oxígeno, pero sin llegar a contribuir en forma significativa a las numerosas transformaciones e interacciones de importancia ecológica que ocurren en el suelo (María Graciela Pozzo Ardizzi et al., 2010).

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Lección 43. Funcionamiento.

Industrialmente el compostaje comprende los siguientes elementos:

1. Recepción de la fracción orgánica de la basura. Se tamiza para eliminar las pocas impurezas que aún contenga.

2. Una gran criba cilíndrica que separa la materia orgánica.

3. Selección manual, tras este control, un electroimán elimina los residuos metálicos. 4. Recepción de la fracción vegetal y trituración.

5. Mezcla y homogenización. Se mezclan las dos fracciones así: 65-75% orgánica y 25- 35% vegetal triturada. El resultado es lo que se compostará.

6. Disposición en pilas: Con una pala mecánica se forman pilas en un cobertizo sin paredes y preparado para recoger los lixiviados.

7. Volteado de las pilas y control de las condiciones ambientales del proceso. Para que se descomponga bien, hay que mantener las condiciones de humedad, temperatura y oxígeno. Por eso se riegan las pilas con los propios lixiviados y se remueven con una máquina volteadora.

8. Cribado del compost maduro. A las 12-14 semanas el compost se criba para que quede homógeneo y fino. Si quedan deshechos vegetales, vuelven al proceso. 9. El final del proceso es el compost. Sirve de abono o de corrector de suelos.

La fase bioremediadora del proceso de composting o compostaje puede dividirse en cuatro períodos, atendiendo a la evolución de la temperatura:

1. Mesolítico: La masa vegetal está a temperatura ambiente y los microorganismos mesófilos se multiplican rápidamente. Como consecuencia de la actividad metabólica la temperatura se eleva y se producen ácidos orgánicos que hacen bajar el pH.

2. Termofílico: Cuando se alcanza una temperatura de 40ºC, los microorganismos termófilos actúan transformando el nitrógeno en amoníaco y el pH del medio se hace alcalino. A los 60ºC estos hongos termófilos desaparecen y aparecen las bacterias esporígenas y actinomicetos. Estos microorganismos son los encargados de descomponer las ceras, proteínas y hemicelulosa.

3. De enfriamiento: Cuando la temperatura es menor de 60ºC, reaparecen los hongos termófilos que reinvaden el mantillo y descomponen la celulosa. Al bajar de 40ºC los mesófilos también reinician su actividad y el pH del medio desciende ligeramente.

4. De maduración: Es un periodo que requiere meses a temperatura ambiente, durante los cuales se producen reacciones secundarias de condensación y polimerización del humus.

153 En cuanto al landfarming la actividad bioremediadora se ve limitada por la competencia de los organismos nativos cuando la bioaumentación es realizada por organismos alóctonos (María Graciela Pozzo Ardizzi et al., 2010), sin embargo la tendencia actual es a emplear organismos aislados del mismo sustrato contaminado, factor que lleva a una reducción de la competencia, una mayora adaptación a las condiciones del terreno y por consiguiente un mejor funcionamiento de la flora en los procesos de bioremediación; aunque surge el limitante si la flora autóctona o nativa tiene el potencial de descomponer los materiales contaminantes de una manera eficiente, lo que puede llevar a que los tratamientos sean mas demorados que lo esperado. Sin embargo este proceso no puede ser exitoso sin la adición de los nutrientes adecuados en especial nitrógeno, fósforo y potasio requeridos para el crecimiento y reproducción de los microorganismos. El carbono es proveido por el material contaminante, así como una abundante oxigenación, la cual en la mayoría de las ocasiones se realiza con ayuda de un tractor que permanentemente esté arando el terreno.

El proceso de biodegradación en el landfarming adicionado a bioaumentación puede llegar a constituirse en un proceso lento (hasta 3 años) en comparación al de compostaje (6 meses), pero los estudios consultados indican que pueden llegar a ser similarmente eficientes en destruir los hidrocarburos, aromáticos y diferentes contaminantes. Tanto en el el uso de pilas de compost como en landfarming, priman los procesos aerobios sobre los anaerobios y esto garantiza que el proceso se realice de una forma más eficiente.

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Lección 44. Posibles costos.

La bioaumentación es una tecnología que puede durar varios meses o años, y su utilización no implica mucho capital ni costos de operación.

Como todos los tratamientos “Ex-situ”, cuando la contaminación es muy profunda, el movimiento de tierra puede implicar costos más altos.

Las técnicas que se asocian con bioaumentación se caracterizan por:  Son simples en cuanto a implementacion y diseño.

 Escaso requerimiento de infraestructura operativa.

 Tecnica destructiva, ya que el contaminante es transformado en productos inocuos para el ambiente.

 Tiempos de tratamientos relativamente cortos comparados con otros procesos biológicos.

 Adecuada para distintos tipos de suelos y de contaminantes.

 No requiere dilucion del material a tratar con lo cual se evita el incremento de volumen.

 Adecuada para el tratamiento de suelos en zonas aridas o semiáridas.  Adecuada para el tratamiento en diversos climas.

 No requiere incorporacion de agua, excepto en periodos de extrema sequia.  Es posible obtener metas de limpieza bastante rigurosas.

Cualquiera que sea la técnica, bien sea compostaje o landfarming, unos altos costos se relacionan con la extracción de los microorganismos nativos con propiedades biodegradadoras y la posterior producción de los microorganismos en suficiente cantidad para poderse aplicar al sitio de donde fueron extraidos; así como un estudio piloto previo a la bioremediación a escala completa (Röben, 2002).

En cuanto al compostaje en plantas manuales (sin ser industriales), aparte de la compra y nivelación del terreno, las plantas manuales casi no tienen costo de inversión. Se deberían confeccionar las tamices, comprar palas y, según el clima, se debe construir un techo para las pilas o lechos.

Los costos de operación según Röben (2002) son: Costos de personal: 1 obrero para 3 toneladas diarias.

1 tecnico o profesional con buenos conocimientos de biología para la supervisión del trabajo (puede ser a la mitad del tiempo en plantas pequeñas).

Costos de herramientas: palas, trinches, picas, carretillas, lampas, regadoras etc. 1 unidad por obrero y por año.

Equipamiento personal de los obreros (uniformes, botas, guantes, masques): 2 overoles por año, 6 pares de guantes por año, 1 par de botas/año.

155 Compra de materiales: Saquillos, hilo, malla etc. Agua de riego.

Las plantas mecanizadas implican mayores costos, se deben tomar en consideración los costos de inversión par una o más de las unidades siguientes:

Pre-condicionamiento:

 Confección del tamiz tambor.

 Confección de la banda transportadora.  Confección de la trituradora / molino. Compostaje:

 Cargador.

 Contenedores o túnel de compostaje.  Máquina para mezcla/ revuelta. Además:

 Tubería y motor de aireación filtro biológico (con tubería de aireación y desagüe). Condicionamiento del producto listo:

 Tamiz tambor.

 Equipo para separar materiales foráneos (ciclón, tamiz aireado, separador a corriente del aire).

En el caso de compostaje o landfarming con bioaumentación, un costo importante lo constituye los análisis químicos y biológicos asociados, los cuales requieren de equipos y personal especializado. Estos análisis pueden subir los costos, pero son compensados con la rapidez (hasta aprox. 3 años en el caso de landfarming) en que pueden ocurrir los procesos.

Además, hay costos de electricidad o de combustible, dependiente del tipo de la maquinaria. Se deberían obtener cotizaciones para el consumo de energía para cada tipo de maquina requerida. En general, se puede decir que cambia el consumo de energía eléctrica entre 10 kWh/ (tonelada de basura cruda) y 50 kWh / (tonelada de basura cruda). Se obtiene el valor bajo si se utiliza solamente un tamiz tambor con banda transportadora para el pre-condicionamiento, y un tamiz aireado para la separación de los materiales foráneos del producto listo. Si se intenta hacer una planta sofisticada con aireación, filtro biológico y máquina de mezcla/ revuelta, y por supuesto, pre- condicionamiento y condicionamiento del producto, el consumo de energía sube hacia los 50 kWh/ (t de basura cruda) (Röben, 2002).

Los costos de repuestos y de mantenimiento se pueden estimar entre 5 - 10 % de los costos de inversión.

Los costos proyectados según la Agencia de protección ambiental de Estados Unidos (EPA) no difieren mucho de las anteriores observaciones, pero dan valores cuantitativos, e indican que para el caso del landfarming los costos van de 150 dólares por metro cúbico

156 de suelo contaminado (EPA, 1994a), y en el caso de compostas el valor va de 150 a 220 dólares (EPA, 1994b), lo cual indica que los dos tratamientos, al adicionarle el procedimiento de bioaumentación pueden incrementarse hasta en un 50% y aún así siguen siendo económicos en comparación con los tratamientos químicos y físicos (Villaseñor Roa, 2011).

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Lección 45. Parámetros de monitoreo y seguimiento.

En los tratamientos por bioaumentación es importante tener parámetros de seguimiento tanto de los microorganismos incorporados, de las densidades de organismos presentes y activos en el sustrato, de las características físico-químicas del sustrato (suelos o aguas) y de las concentraciones y tipos de contaminantes presentes en cada etapa del proceso. En el caso de las pilas de compost, estas se deben estar aireando permanentemente bien sea por volteo o de forma mecánica, en cualquiera de los casos es necesario evaluar la cantidad de oxígeno disponible. El pH puede ser un factor crítico para que se desarrollen los procesos en cualquiera de las etapas que se esté realizando ya que el sustrato debe conservarse cerca a la neutralidad (EPA, 1994b), esta valoración se tiene que realizar al menos con una frecuencia semanal.

Debido a que si se desea realizar bioremediación, los suelos contaminados han de ser agregados a la pila de compost, así como los microorganismos controladores, es necesario un monitoreo permanente de las poblaciones de microorganismos mesófilos, termófilos, aerobios y anaerobios, ya que pueden fácilmente competir por los sustratos y hacer el