Kinetic modelling of a diesel-polluted clayey soil bioremediation process

A mathematical model is proposed to describe a diesel-polluted clayey soil bioremediation process. The reaction system under study was considered a completely mixed closed batch reactor, which initially contacted a soil matrix polluted with diesel hydrocarbons, an aqueous liquid-specific culture medium and a microbial inoculation. The model coupled the mass transfer phenomena and the distribution of hydrocarbons among four phases (solid, S; water, A; non-aqueous liquid, NAPL; and air, V) with Monod kinetics. In the first step, the model simulating abiotic conditions was used to estimate only the mass transfer coefficients. In the second step, the model including both mass transfer and biodegradation phenomena was used to estimate the biological kinetic and stoichiometric parameters. In both situations, the model predictions were validated with experimental data that corresponded to previous research by the same authors. A correct fit between the model predictions and the experimental data was observed because the modelling curves captured the major trends for the diesel distribution in each phase. The model parameters were compared to different previously reported values found in the literature. Pearson correlation coefficients were used to show the reproducibility level of the model.Se propone un modelo matemático para describir un proceso de biorremediación de suelos arcillosos contaminados con diesel. El sistema de reacción en estudio se consideró un reactor discontinuo cerrado completamente mixto, que inicialmente entró en contacto con una matriz de suelo contaminada con hidrocarburos diesel, un medio de cultivo específico líquido acuoso y una inoculación microbiana. El modelo acopló los fenómenos de transferencia de masa y la distribución de hidrocarburos entre cuatro fases (sólido, S; agua, A; líquido no acuoso, NAPL; y aire, V) con la cinética de Monod. En el primer paso, se utilizó el modelo que simula las condiciones abióticas para estimar solo los coeficientes de transferencia de masa. En el segundo paso, se utilizó el modelo que incluía tanto la transferencia de masa como los fenómenos de biodegradación para estimar los parámetros biológicos cinéticos y estequiométricos. En ambas situaciones, las predicciones del modelo fueron validadas con datos experimentales que correspondían a investigaciones previas de los mismos autores. Se observó un ajuste correcto entre las predicciones del modelo y los datos experimentales porque las curvas de modelado capturaron las principales tendencias para la distribución del diesel en cada fase. Los parámetros del modelo se compararon con diferentes valores reportados previamente encontrados en la literatura. Se utilizaron coeficientes de correlación de Pearson para mostrar el nivel de reproducibilidad del modelo

Biorremediación acelerada de suelos contaminados con hidrocarburos tipo diésel

La biorremediación es una tecnología biológica para la descontaminación de suelos basada en la conversión o metabolización de los contaminantes por microorganismos; es decir, requiere una cepa o consorcio microbiano eficiente que degrade la mayor cantidad de contaminante hasta un nivel mínimo. Los procesos de biorremediación de suelos contaminados con hidrocarburos (HC) pueden desarrollarse mediante un gran abanico de estrategias. Este hecho permite acoplarse a distintos episodios de contaminación según las características del entorno. La práctica más común es excavar la tierra contaminada y colocarla en un sitio específico para llevar a cabo una atenuación natural simple o una bioestimulación sencilla. Otra opción es llevar a cabo un tratamiento mediante el bioaumento, que consiste en introducir microorganismos en el suelo para acelerar la metabolización del contaminante. A pesar de tratarse de una tecnología con años de experiencia, de la literatura se deducen resultados ambiguos en cuanto a las diferentes estrategias. Estudios más recientes se han centrado en la combinación de las técnicas de bioestimulación y bioaumento, obteniéndose resultados más alentadores. Como resultado del análisis realizado, se considera que las empresas dedicadas a la recuperación de suelos aplicando la tecnología de biorremediación pueden tener un futuro viable. Sin embargo, es necesario hacer un énfasis especial en el desarrollo de innovaciones biotecnológicas para mejorar y optimizar la técnica de la biorremediación. Con estos antecedentes, y en base a lo interesante que resulta afrontar esta problemática, el Departamento de Ingeniería Química de la UCLM y la empresa Alquimia Soluciones Ambientales, aprovechando su experiencia previa en el campo de la Ingeniería Ambiental, acordaron acometer una investigación centrada en la biorremediación acelerada de suelos contaminados con HC. En ese contexto se sitúa la presente tesis doctoral que ha sido realizada en ambas entidades, es decir, en la citada empresa y en la Universidad de Castilla-La Mancha. El objetivo de este trabajo de investigación es desarrollar un proceso de biorremediación para eliminar HC tipo diésel de suelos contaminados, de forma eficaz y más rápida que los tradicionales sistemas de atenuación natural, y aplicable a escala real. Para alcanzar el objetivo global planteado, el presente trabajo se ha dividido en una serie de objetivos parciales que se describen a continuación: - Obtener y caracterizar consorcios microbianos mixtos estables, a partir de los existentes originalmente en diversos emplazamientos (ya sea contaminados o sin contaminar), que tengan capacidad de biodegradar HC diésel y que sirvan de inóculo en los procesos de biorremediación acelerada. - Estudiar la biodegradación de diésel en laboratorio utilizando los anteriores consorcios, caracterizando la estequiometría y cinética del proceso, estudiando el efecto de las variables y modelizándolo, llegando a seleccionar los consorcios con la máxima capacidad biodegradadora. - Estudiar el proceso de biorremediación de suelos contaminados con diésel en laboratorio, experimentando el efecto de variables como tipo de suelo, inóculo o estrategia de biorremediación, y modelizando el proceso. - Estudiar la extrapolación, desde laboratorio a escala de planta piloto, de varias estrategias de biorremediación, como la bioestimulación y el bioaumento. - Evaluar la viabilidad de implementar el proceso de biorremediación a escala industrial a través de las estrategias seleccionadas en el paso anterior, diseñándolo y calculando sus costes. Para conseguir estos objetivos se planteó un programa de investigación que implicaba: (1) un estudio bibliográfico amplio; (2) la puesta a punto de dispositivos experimentales y técnicas de análisis; (3) la experimentación en laboratorio para realizar el estudio de la biodegradación de HC diésel, y posteriormente la biorremediación de suelos contaminados con dichos HC; (4) la experimentación en planta piloto para realizar la extrapolación del estudio de biorremediación; y (5) el diseño y estudio de la viabilidad técnica y económica de un prototipo a escala industrial optimizado según los resultados de las etapas anteriores. En esta investigación se ha trabajado con cinco suelos de distinta procedencia y características (denominados SA, SB, SC, SD y SE). SA presentaba indicios de contaminación, SB fue contaminado artificialmente con diésel al llegar al laboratorio, SC presentaba contaminación crónica, y los otros dos eran suelos sin contaminar. De ellos se aislaron cinco consorcios microbianos mixtos, denominados respectivamente XA, XB, XC, XD y XE. Todos los consorcios aislados fueron adaptados al consumo de HC mediante resiembras semanales, en las que la única fuente de carbono era diésel. Una vez desarrollados los consorcios microbianos hidrocarburolíticos, se estudiaron sus curvas de crecimiento y se realizó la caracterización microbiológica de los consorcios de los suelos que presentaban contaminación previa (XA, XB y XC). En los tres consorcios se encontraron especies con capacidad demostrada para la biodegradación de HC, según la literatura previa. Así, se procedió al estudio de los fundamentos de la biodegradación de diésel, mediante experimentos discontinuos en fase líquida a escala de laboratorio: se estudió la influencia del consorcio utilizado (XA, XB y XC), de la temperatura de reacción (25, 30 y 35 °C) y de la concentración inicial de sustrato contaminante (0,5, 1 y 3% en volumen) en el desarrollo de la reacción bioquímica. Por otro lado, se realizó un seguimiento de la generación de biosurfactantes durante dichos experimentos. Los consorcios microbianos estudiados (XA, XB y XC) mostraron una excelente viabilidad durante el proceso de biodegradación de diésel en agua. Se obtuvieron porcentajes de eliminación superiores al 80% en la mayoría de los experimentos y en un tiempo de tratamiento aproximadamente de 40 h. En general, el aumento de la temperatura entre 25 y 30 °C aceleró ligeramente el crecimiento celular y, por tanto, la biodegradación de diésel. A la temperatura de 35 °C se observó que la reacción de biodegradación se inhibía. Por otro lado, se detectó un crecimiento desacoplado al aumentar la concentración inicial de diésel. Mediante el seguimiento de la tensión superficial en los experimentos de biodegradación, se determinó que los consorcios microbianos fueron capaces de producir biosurfactantes. Una mayor producción de biosurfactantes generó un mayor porcentaje de eliminación de diésel y una mayor velocidad de consumo. Se aprovecharon los datos obtenidos en los experimentos de biodegradación de diésel en fase líquida para el desarrollo de un modelo matemático. Dicho modelo, basado en la ecuación de Monod, tenía que reproducir el proceso y proporcionar datos estequiométricos y cinéticos del mismo, con diferentes consorcios microbianos y diferentes condiciones. El modelo ajustó los datos experimentales con unos coeficientes de correlación altos exceptuando los casos en los que se observó inhibición por temperatura. El modelo tampoco tuvo en cuenta el fenómeno de crecimiento desacoplado. Los tres consorcios estudiados mostraron eficacias muy similares en la biodegradación de diésel, y además existía coincidencia en varias especies microbianas presentes en ellos. Este hecho podría deberse a que el proceso de adaptación y aclimatación de los tres consorcios llevó a la obtención de cultivos microbianos con capacidades muy similares. Solo se observaron diferencias significativas entre el consorcio XC y los otros dos consorcios (XB y XA), siendo XC algo mejor. Por este motivo, se seleccionó el consorcio XC para continuar la investigación. Una vez estudiados los fundamentos de la biodegradación en fase líquida, se realizó el estudio del proceso de biorremediación del suelo contaminado con diésel en experimentos discontinuos de laboratorio, probando diferentes estrategias como la bioestimulación y el bioaumento, y estudiando la influencia de factores relevantes en el proceso como el tipo de suelo, la humedad o la concentración de inóculo. Para ello, se llevaron a cabo experimentos en recipientes agitados cerrados, en los que se usaba suelo contaminado y se ponía en suspensión en un medio acuoso con nutrientes inorgánicos, considerando un modelo de flujo de mezcla perfecta. Este estudio se realizó con dos suelos de características texturales distintas (denominados SD y SE, de tipo arcilloso y limoso, respectivamente), que fueron contaminados con diésel antes del comienzo del mismo. Se realizaron cuatro tipos de experimentos en los que la variable en estudio fue la estrategia de biorremediación utilizada: (1) bioestimulación, (2) bioaumento exógeno, (3) una estrategia combinada de bioestimulación y bioaumento exógeno; y, finalmente, (4) una estrategia combinada de bioestimulación y bioaumento con microorganismos endógenos. Los resultados de los experimentos de biorremediación de los dos suelos contaminados con diésel permitieron observar altos porcentajes de eficacia; más del 90% de la concentración inicial fue eliminada en la mayoría de los experimentos en tan sólo 11 días de tratamiento. El factor más importante que determinó la estrategia a seguir, fue la biodisponibilidad del contaminante, pudiendo concluirse que, cuando el contaminante era de fácil acceso (suelo arcilloso), una combinación de la técnica de bioestimulación y bioaumento exógeno (X0+XC) conducía a mejores resultados, mientras que cuando la disponibilidad era limitada, como en el caso del suelo limoso, una estrategia de bioestimulación de consorcios autóctonos era más eficiente. Respecto a las otras variables estudiadas (humedad y concentración de inóculo), se detectó un rango intermedio de humedades en el que se producía la compactación del suelo y el tratamiento de biorremediación no era efectivo. Por otro lado, el uso de un consorcio exógeno (XC) en el suelo arcilloso (SD) conducía a una mayor eficiencia cuanto menor concentración de inóculo era utilizada. Este hecho podría estar relacionado con la competencia que surge entre el propio consorcio presente en el suelo y el enriquecido exógeno. Sin embargo, la experiencia con el consorcio XD, consorcio endógeno enriquecido del suelo arcilloso (SD), reveló lo contrario, una mayor concentración de inóculo podía producir un mayor beneficio en la biorremediación, obteniéndose mayores rendimientos y de forma más rápida. Se desarrolló un modelo matemático que permitiera reproducir los resultados de los experimentos de biorremediación en laboratorio. Dicho modelo consideraba los fenómenos de transporte de diésel entre las cuatro fases existentes (sólida, líquida acuosa, líquida orgánica y gaseosa) y el equilibrio que se alcanzaba entre ellas. Se consideró una cinética microbiana tipo Monod. El modelo matemático propuesto, así como las hipótesis planteadas para su desarrollo, fueron verificados con los altos coeficientes de correlación hallados entre los datos experimentales y los propuestos por el modelo. Además, los parámetros cinéticos calculados por el modelo, contrastados en bibliografía, resultaron coherentes. Una vez estudiados los fundamentos de la biorremediación de suelos contaminados con HC en laboratorio, se realizó el estudio de extrapolación a planta piloto. Se evaluó el efecto de diferentes variables sobre la eficacia y velocidad del proceso: influencia de la estrategia de biorremediación (bioestimulación, bioaumento o simple atenuación natural), influencia de la humedad a escala piloto e influencia del modo de operación. El objetivo era llevar a cabo el escalado de la tecnología de biorremediación acelerada de suelos contaminados con diésel de la manera más satisfactoria. En todos los experimentos realizados a esta escala se utilizó el suelo arcillo (SD), contaminado con diésel antes de empezar cada uno de los experimentos. Se llevaron a cabo dos tipos de experimentos, según las condiciones óptimas de humedad seleccionadas: en fase saturada y en fase sólida o insaturada. En este segundo caso, los experimentos se realizaron tanto en modo estático como en biorreactor giratorio. De manera general, los rendimientos de descontaminación observados se mantuvieron en el mismo orden de magnitud al cambiar de escala de laboratorio a planta piloto. Todas las estrategias de biorremediación acelerada llevadas a cabo en planta piloto aumentaron el rendimiento más del 70% respecto al simple proceso tradicional de atenuación natural. Por un lado, un bioaumento inicial único (es decir, una única inoculación al comienzo del tratamiento) no mejoró el proceso de biorremediación con respecto a las estrategias de bioestimulación convencional. Sin embargo, el continuo aporte semanal de inóculo fresco (bioaumento semanal continuado) si aumentó el rendimiento respecto a un tratamiento de bioestimulación convencional. Por otro lado, la opción que considera el uso de compost maduro como método novedoso de bioestimulación condujo a un aumento de un 20% aproximadamente en los rendimientos de descontaminación con respecto al resto de estrategias. Por todo ello, tanto el bioaumento semanal como la bioestimulación con compost maduro pueden considerarse como las mejores estrategias para llevar a cabo un hipotético proceso industrial. Los experimentos de biorremediación realizados a escala piloto en estado saturado no mejoraron el proceso de descontaminación respecto a su realización en fase insaturada. Por otro lado, la utilización de biorreactores giratorios sólo resultó beneficiosa en la estrategia de bioaumento semanal continuado respecto al uso de reactores estáticos aireados, y tampoco estaría completamente justificada en un proceso industrial debido a la alta relación coste/eficiencia. Por último, se plantean dos posibilidades hipotéticas de tratamiento industrial. Por un lado, se evalúa la posibilidad de realizar la descontaminación del suelo mediante la estrategia de bioestimulación utilizando compost maduro como agente estimulante y, por otro, utilizar una estrategia de bioaumento semanal continuado. Se pretende demostrar la conveniencia de realizar una inversión para llevar a cabo la recuperación sostenible de un emplazamiento contaminado mediante su descontaminación en un Centro de Tratamiento Especializado, a través de la evaluación de la sostenibilidad integral de las dos estrategias propuestas. Desde el punto de vista comercial, legal y organizacional, no se han observado impedimentos relevantes en la implementación de cualquiera de las estrategias de biorremediación planteadas a escala industrial. Se han considerado los aspectos técnicos, ambientales y económicos, como los determinantes para la evaluación integral, concluyéndose que una inversión de este tipo tendría sentido siempre y cuando el precio de servicio establecido fuera superior a 145 € por tonelada de suelo contaminado