UNIVERSIDAD JUÁREZ AUTÓNOMA
DE TABASCO
DIVISIÓN ACADÉMICA DE CIENCIAS BIOLÓGICAS
MAESTRÍA EN INGENIERÍA Y PROTECCIÓN AMBIENTAL
TESIS
Que para obtener el grado de Maestro en Ingeniería y
Protección Ambiental
Presenta:
Carlos Mario Morales Bautista
Asesor:
M. en C. Verónica Isidra Domínguez Rodríguez
Aplicación y evaluación del Intercambio
Catiónico con Hidróxido de Calcio en un
suelo contaminado con aguas congénitas en
DIVISIÓN ACADÉMICA DE CIENCIAS BIOLÓGICAS Maestría en Ingeniería y Protección Ambiental
Aplicación y evaluación del intercambio catiónico con Ca(OH)2 en un suelo contaminado con aguas congénitas. ÍNDICE
1. Introducción 1
2. Antecedentes 3
2.1. Iones Importantes del Suelo 5
2.2. Impactos Ambientales de la Industria Petrolera 6
2.3. Impacto de las Aguas Congénitas en el Suelo 9
2.4. Remediación de Suelos Afectados por Salinidad 14
2.5. Intercambio Catiónico 17
2.6. Vocación del Uso de Suelo 20
2.6.1. Forrajes Comunes en el Área de Estudio 22
2.6.2. Cultivos Comunes de la Zona y Rangos de pH de Tolerancia 27
2.7. Evaluación de Suelos mediante la Productividad Primaria 28
3. Objetivos 34 3.1. Objetivo General 34
3.2. Objetivos Particulares 34 4. Descripción del Área de Estudio 35
5. Metodología 36 5.1. Colecta del Suelo 37
5.2. Preparación de las Celdas de Tratamiento 37
5.3. Muestreo y Caracterización de las Muestras Iniciales 38
5.4. Contaminación del Suelo con el Agua Congénita. 39
5.5. Tratamientos por Intercambio Catiónico 40
5.6. Determinación de las Características del Suelo después del Intercambio 43
5.6.1. Determinación de Cationes intercambiables y Cationes en Solución 44 5.7. Evaluación de la Fertilidad de los Suelos Tratados 44 5.7.1. Medición de la Productividad Primaria 46 6. Resultados y Discusiones 47 6.1. Tipo de Suelo 47 6.2. Evaluación del Nivel de Contaminación en el Suelo 49 6.3. Evaluación del Comportamiento del Tiempo de Tratamiento con Respecto a la Remoción del Contaminante 50 6.4. Evaluación de la Fertilidad del Suelo Tratado. 56 6.4.1. Evaluación de la Productividad Primaria de los Forrajes Humidícola y Chontalpo en los suelos tratados. 56 6.4.2. Evaluación de las Raíces de las Plantas 62 6.4.3. Evaluación de los Iones Intercambiables en la Fertilidad de los Suelos 63 7. Conclusiones 65 8. Bibliografía 67 9. Anexos 72 9.1. Figuras 72 9.2. Cuadros 76 9.3. Cálculos 82
9.3.1. Determinación de la Porosidad y Volumen del Suelo 82 9.3.2. Cálculo de la Cantidad de Ca(OH)2 para cada Tratamiento 83
9.3.3. Determinación del KG, PSI, RAS y RSI 84
9.3.4. Cálculo del Reactivo para emplearlo en una Hectárea 85 9.4. Especies de Plantas encontradas en las Celdas de Evaluación 86
Aplicación y evaluación del intercambio catiónico con Ca(OH)2 en un suelo contaminado con aguas congénitas. ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Trastornos ecológicos en tres regiones de Tabasco 4 Figura 2. Suelos con características salinas 4 Figura 3. Proceso de desalinización del crudo 10
Figura 4. Pasto Humidícola 23
Figura 5. Pasto Estrella 24
Figura 6. Pasto Toledo 25
Figura 7. Pasto Chontalpo 26
Figura 8. Comportamiento de los forrajes 29 Figura 9. Diagrama del proceso del proyecto 36 Figura 10. Sitio de la colecta del material 37 Figura 11. Preparación de las celdas de tratamiento 37 Figura 12. Homogenización del suelo y toma aleatoria de las muestras 38 Figura 13. Celdas de tratamiento con las muestras 38 Figura 14. Colecta de las muestra para análisis fisicoquímico 39 Figura 15. Desalojo y colecta del agua congénita 40 Figura 16. Diseño del experimento para el intercambio catiónico 41 Figura 17. Aplicación de la solución de Ca(OH)2 al suelo 42
Figura 18. Diseño de la evaluación de la fertilidad de cada suelo 45 Figura 19. Preparación de las celdas y sembrado de los pastos para la evaluación de la
productividad primaria 46
Figura 20. Características de los vertisoles 48 Figura 21. PSI en las muestras limpias, contaminadas y tratadas 50 Figura 22. Comportamiento del PSI y el tiempo de tratamiento 51 Figura 23. Cinética de reacción del intercambio catiónico 52 Figura 24. Cinética de reacción del PSI contra el tiempo de intercambio con Ca(OH)2 en un
vertisol 53
Figura 25. Comportamiento de la CE en las muestras limpias, contaminadas y tratadas 54 Figura 26. Cinética de reacción para la CE en función del tiempo de intercambio catiónico 55 Figura 27. Comportamiento del crecimiento del pasto Humidícola 56 Figura 28. Comportamiento del crecimiento del pasto Chontalpo 57 Figura 29. Comportamiento de los pastos Humidícola y Chontalpo 58 Figura 30. Productividad primaria del pasto Humidícola 59 Figura 31. Productividad primaria del pasto Chontalpo 59 Figura 32. Productividad primaria anual de los pastos 60 Figura 33. Medida las raíces de los pastos 63 Figura A. Activos y sitios afectados por la industria petrolera en el Estado Tabasco 72 Figura B. Tipos de suelos en el Estado de Tabasco 73 Figura C. Ordenamiento ecológico y vocación de uso de suelo en el Estado de Tabasco 74
Figura D. Zona de estudio 75
Figura E. Volúmenes acumulados de lluvias y temperaturas promedios en la Chontalpa
Tabasqueña en el 2005 76
Figura F. Características generales de la Euphorbia hirta L. 86 Figura G. Características generales de la Lagascea mollis Cav. 87 Figura H. Características generales de la Cyathula achyranthoides (Kunth) Moq. 88 Figura I. Características generales de la Tridax procumbens L. 89 Figura J. Características generales de la Stevia elatior Kunth 90
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Aplicación y evaluación del intercambio catiónico con Ca(OH)2 en un suelo contaminado con aguas congénitas. CUADROS
Cuadro 1. Resumen mensual de los impactos ambientales de 1996 a 1999 en Tabasco 3 Cuadro 2. Tipos de degradación del suelo 7 Cuadro 3. Áreas afectadas por fugas en ductos 9 Cuadro 4. Características del agua salina y del suelo de Serrato 11 Cuadro 5. Interacción agua-contaminante 11 Cuadro 6. Efectos del contaminante sobre el suelo y las plantas 12 Cuadro 7. Limite de tolerancia para algunas plantas 16
Cuadro 8. Cultivos y rango de pH 28
Cuadro 9. Parámetros fisicoquímicos a medir 39 Cuadro 10. Características del agua congénita 39 Cuadro 11. . Mecanismo de reacción del intercambio catiónico 43 Cuadro 12. Características del suelo no contaminado. 47 Cuadro 13. Características de los vertisoles 47 Cuadro 14. Características del suelo contaminado 49 Cuadro 15. Clasificación de suelos salinos y sódicos 50 Cuadro 16. Producciones primarias y límites de la CE de las especies identificadas 61 Cuadro 17. Relación de elementos de fertilidad 64 Cuadro A. Nomenclatura de las muestras 76 Cuadro B. Resultados de los parámetros fisicoquímicos del suelo 77 Cuadro C. pH de agua después del tratamiento y del suelo lavado con agua 78 Cuadro D. Valores calculados de KG, PSI, RAS y RSI 79 Cuadro E. Volúmenes de precipitación en enero del 2009 para la región Chontalpa 80 Cuadro F. Remociones del PSI en los tratamiento 80 Cuadro G. Productividad primaria de los pastos 81 Cuadro H. Curva patrones para determinar los iones presentes en las muestras 81
Maestría en Ingeniería y Protección Ambiental
Aplicación y evaluación del intercambio catiónico con Ca(OH)2 en un suelo contaminado con aguas congénitas !"
I. INTRODUCCIÓN
El Sureste del País, en particular el estado de Tabasco, ha adquirido gran importancia en el ámbito nacional, sobretodo en el ramo energético que principalmente proviene del desarrollo de la industria del petróleo que aporta un porcentaje considerable de hidrocarburo y gas natural al sistema productivo nacional.
Sin duda el pleno desarrollo de la paraestatal PEMEX en la región sureste se ha dado en los últimos 30 años, en consecuencia, ha coadyuvado en el crecimiento económico creando fuentes de empleos e infraestructura en general; pero también, trajo consigo una degradación importante del ambiente ya que en los inicios de esta actividad no eran considerados los aspectos ambientales que hoy exige la legislación: debido a la falta de éstas normas básicas de prevención y control, se ha retrasado el desarrollo total de esta actividad, aunado a que esta región está marcada por un descrédito total ante la opinión pública que conlleva a la crítica nacional e internacional (SEMARNAT, 2000).
Por las características de los contaminantes que se vierten podemos decir que la explotación de zonas petroleras, la quema de pastizales y la fertilización de los cultivos, son responsables de aportar cantidades considerables de sales solubles en zonas locales. La salinidad de los suelos en México y en el mundo es un problema creciente con el que vamos a tener que aprender a convivir. La industria petrolera aporta residuos que contienen componentes de alta peligrosidad clasificados, confinados y tratados según la legislación, si no se tiene el control adecuado al manejarlos, son vertidos sin control al ambiente, en especifico, si son derramados en el suelo alteran las características físicas, químicas y biológicas que conllevan a una serie de trastornos ambientales aunado a que dependiendo del tipo de superficie en la que sea agregado el contaminante puede que llegue a aguas subterráneas por escurrimiento o infiltración, afectando así los cuerpos de agua superficial. Un residuo de producción de hidrocarburos es el agua de salmuera o congénita que contiene sales inhibidoras del crecimiento vegetal tales como el dicromato de sodio, cloruro de potasio e hidróxido de sodio (Barcena et al., 1988).
El agua congénita proviene principalmente de las baterías de separación, la función principal de éstas unidades es recibir el hidrocarburo de los pozos de extracción; en ellas se efectúa la separación de los componentes líquidos (hidrocarburos y agua salada) y los gaseosos, fluyendo todos por ductos separados. En ésta etapa del proceso de producción no se debería contaminar, sin embargo, en casos de emergencia, por daños a los ductos o los equipos y al no contar con sistemas paralelos para seguir conduciendo el fluido, éste es derramado al ambiente (Zavala et al., 1988). Para que los suelos afectados por derrames de hidrocarburos con alto contenido de sales sean rehabilitados, es necesario que pase una cantidad suficiente de agua por la zona donde se encuentran las raíces con el fin de reducir la concentración de sales hasta valores mínimos, es cierto que vivimos en una llanura inundable pero debido a la alta concentración de contaminantes es casi imposible que el suelo se restaure en un intervalo corto de tiempo, para lo anterior, se han ideado varias técnicas para situar cultivos resistentes a la salinidad en suelos afectados por aguas salobres (Adams et al., 2005).
DIVISIÓN ACADÉMICA DE CIENCIAS BIOLÓGICAS Maestría en Ingeniería y Protección Ambiental
Aplicación y evaluación del intercambio catiónico con Ca(OH)2 en un suelo contaminado con aguas congénitas #" Según la LGPGIR define como remediación al conjunto de medidas a las que se someten los sitios contaminados para eliminar o reducir los contaminantes hasta un nivel seguro para la salud y el ambiente o prevenir su dispersión en el ambiente sin modificarlos.
En general las técnicas de saneamiento o remediación de suelos contaminados se pueden dividir en: biológicas y fisicoquímicas se pueden llevar a cabo tantoin situ como ex situ, en concreto en suelos
contaminados por iones se emplea la técnica de intercambio catiónico la cual se basa en agregar una solución de ión no dañino al suelo e intercambiarlo por otro u otros nocivo(s) presente(s) en el mismo.
Una de las zonas que está expuesta a eventos de derrames se encuentra dentro del Activo Samaria, por tal razón, se realizó una investigación de campo eligiendo un sitio con superficie no contaminada cercana a baterías de separación. De este modo el objetivo principal del presente trabajo es estudiar el comportamiento de la remoción de sales presentes en un suelo contaminado con aguas congénitas con respecto al tiempo de remediación para después evaluar la fertilidad del suelo tratado. La metodología va desde la caracterización de la muestra no contaminada, contaminada, tratamiento en diversos tiempos y posteriormente comprobar su capacidad de fertilidad con especies comunes de la región según la vocación del uso del suelo. Con lo anterior se pretende predecir la factibilidad técnica empleando hidróxido de calcio (Ca(OH)2) mediante el intercambio catiónico del
