el rol de la geotecnia en el campo de la ingenieria … rol de la geotecnia en el campo...el rol de...
TRANSCRIPT
i
EL ROL DE LA GEOTECNIA EN EL CAMPO DE LA INGENIERIA AMBIENTAL
LEONEL LEAL LEMUS CARLOS ARTURO PELAEZ SERRANO
UNIVERSIDAD DE SANTANDER ESCUELA INTERNACIONAL DE POSGRADOS
ESPECIALIZACIÓN EN GEOTECNIA AMBIENTAL BUCARAMANGA
2014
ii
El ROL DE LA GEOTECNIA EN EL CAMPO DE LA INGENIERIA AMBIENTAL
LEONEL LEAL LEMUS CARLOS ARTURO PELAEZ SERRANO
Proyecto de grado presentado como requisito parcial para Optar al título de Especialista en Geotecnia Ambiental
Director Metodológico MARÍA LUCIA SIERRA SIERRA
Socióloga especialista en métodos y técnicas de investigación Social
UNIVERSIDAD DE SANTANDER ESCUELA INTERNACIONAL DE POSGRADOS
ESPECIALIZACIÓN EN GEOTECNIA AMBIENTAL BUCARAMANGA
2014
iii
DEDICATORIA
Gracias a Dios por darme esta oportunidad de continuar con mis estudios y de alcanzar otro logro en mi vida. Con todo el cariño, le dedico esta tesis a:
Dioselina y Víctor, Mis padres Daniela y
Mariana, Mis hijas Janeth, Mi esposa
LEONEL LEAL LEMUS
Gracias al Creador por esas personas que me llenan con su presencia, que siempre han estado orgullosas de mis logros y están siempre listas para brindarme toda su ayuda incondicional. Con todo mi cariño y agradecimiento, está tesis se la dedico a ustedes:
Alejandro y Yolanda,
mis padres. Carlos Andrés, mi Hijo. Lina Cecilia, mi esposa.
CARLOS ARTURO PELAEZ SERRANO
iv
AGRADECIMIENTOS Gracias a nuestros padres, hermanos, hijos, por sus persistentes voces de aliento, a nuestras esposas que nos entendieron nuestras ausencias dándonos ánimo para culminar ésta nueva etapa profesional. Gracias a nuestra familia que nos han apoyado para realización de este logro y por la paciencia de los fines de semana, que no estuvimos con ellos. A todos los docentes de la Especialización en Geotecnia Ambiental de la Universidad de Santander que de una u otra forma sembraron las diferentes ideas y nos orientaron para la realización de la presente tesis. Gracias al Ingeniero Omar Suancha por sus aportes, opiniones y sugerencias en ejecución de la presente tesis. Gracias a la Dra. María Lucia Sierra por su paciencia y su atenta lectura, sus opiniones y sus atinadas correcciones que nos permitió concretar el hilo conductor a este documento.
v
CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 11 RESUMEN ............................................................................................................. 11 1. EL ROL DE LA GEOTECNIA EN EL CAMPO DE LA INGENIERIA AMBIENTAL........................................................................................................... 15 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................... 15 1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA. .............................................................. 15 1.3 OBJETIVOS .................................................................................................. 16 1.3.1 Objetivo General. ........................................................................................ 16 1.3.2 Objetivos específicos .................................................................................. 16 1.4 JUSTIFICACIÓN ........................................................................................... 16 2. MARCO TEÓRICO .......................................................................................... 17 2.1 ANTECEDENTES ......................................................................................... 17 2.1.1 Antecedentes Internacionales.. ................................................................... 17 2.1.2 Antecedentes nacionales.. .......................................................................... 18 2.2 MARCO REFERENCIAL ............................................................................... 19 2.2.1 Tipos de depósitos para desechos... ........................................................... 19 2.2.2 Presas o diques de relave.. ......................................................................... 20 2.2.3 Revestimiento e Impermeabilización.: ......................................................... 21 3. DISEÑO METODOLÓGICO ............................................................................ 23 3.1 TIPO DE ESTUDIO ....................................................................................... 23 3.2 MÉTODOS Y TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS ......................... 23 4. BREVE PERSPECTIVA HISTÓRICA DE LA VARIABLE AMBIENTAL DENTRO DEL CAMPO DE LA GEOTECNIA ........................................................ 24 5. PROBLEMAS Y EJEMPLOS DE LA GEOTECNIA AMBIENTAL: PRESENTE Y FUTURO ................................................................................................................ 27 5.1 ESTABILIDAD A LARGO PLAZO DE LOS SISTEMAS DE DISPOSICION DE DESPERDICIOS. ................................................................................................... 27 5.1.1 Compuestos Orgánicos Volátiles.. .............................................................. 28 5.1.2 Intercambio de cationes y la conductividad hidráulica a largo plazo en Revestimientos Geosintéticos de Arcilla (GCL).. ................................................... 31 5.2 BARRERAS CON MATERIALES ALTERNATIVOS ...................................... 33 5.3 BARRERAS Y MATERIALES INNOVADORES ............................................ 37 5.3.1 Barreras de membrana de Arcilla.. .............................................................. 38 5.3.2 Nanocompuestos de polímero de arcilla.. ................................................... 43 5.4 NUEVAS FORMAS DE RESIDUOS .............................................................. 47 5.4.1 Residuos de animales vivos.. ...................................................................... 47 5.4.2 Residuos de animales muertos. .................................................................. 49 5.4.3 Derivados de Residuos de Tecnologías Nuevas.: ....................................... 51 5.5 IMPORTANCIA DE LOS PROCESOS BIOLÓGICOS ................................... 51 5.5.1 Vertedero Birreactor.: .................................................................................. 52
vi
5.5.2 Biorremediación con electrocinética.. .......................................................... 55 5.5.3 Remediación con bacterias reductoras de sulfato.. ..................................... 58 5.6 ROL O PAPEL DEL MODELADO ................................................................. 60 6. ROL DE LA GEOTENIA EN EL CAMPO DE LA DE LA INGENIERIA AMBIENTAL........................................................................................................... 63 6.1 IMPORTANCIA DE LA IDENTIDAD PROFESIONAL .................................... 63 6.2 OTRAS CARACTERÍSTICAS DEL ROL DE LA GEOTECNIA AMBIENTAL Y LA INGENIERÍA AMBIIENTAL ............................................................................... 67 6.2.1 Los saberes específicos para el geotecnista.. ............................................. 67 6.2.2 Saberes específicos para el ingeniero ambiental.”. ..................................... 68 6.2.3 Campos de acción de la ingeniería ambiental y la geotecnia……………....69 6.2.4 Perspectiva y rol de la ingeniería geotécnica y ingeniería ambiental. . ...... 71 CONCLUSIONES .................................................................................................. 72 RECOMENDACIONES .......................................................................................... 75 BIBLIOGRAFIA ...................................................................................................... 76
vii
LISTA DE FIGURAS
Pág. Figura 1. Esquema típico de la instalación de un lisímetro colector debajo de una capa de arcilla compactada para una instalación de residuos sólidos 28 Figura 2. Concentraciones de diclorometano en un lisímetro colector 29 Figura 3. Comparaciones del diagrama de caja de las concentraciones de diclorometano en lisímetros debajo de células de arcilla y de materiales compuestos. 30 Figura 4. Fotografía de bentonita desecada 32 Figura 5. Concepto de capacidad de almacenamiento de agua en el suelo en cubiertas alternativas de barro 35 Figura 6. Corte de sección de dos de las principales cubiertas alternativas de tierra fina 36 Figura 7. Efecto del comportamiento de la membrana de flujo de masa de soluto en estado estable a través de una barrera de arcilla de 1 m de espesor 40 Figura 8. Tendencia temporal en la eficiencia osmótico-químicacomo función de la razón de vacío (e) para dos rellenos de tierra-bentonita 42 Figura 9. Ilustraciones esquemáticas de diferentes tipos de composiciones de nanocompuestos 44 Figura 10. Las curvas de esfuerzo-deformación para polietileno lineal de baja densidad (LLDPE) y nanocompuestos de LLDPE-arcilla orgánica con diferentes porcentajes en peso de montmorillonita (MMT) 45 Figura 11. La permeabilidad relativa de oxígeno, nitrógeno y gases de dióxido de carbono para las películas de nanocompuestos de arcilla orgánica
150-m de espesor con diferentes contenidos de montmorillonita a 35 oC 46 Figura 12. Modelo esquemático de la vía tortuosa de difusión de gas a través de un nanocompuesto de polímero-arcilla exfoliada 46 Figura 13. Ejemplos de priones de ratón y hámster 50 Figura 14. Enfoques para la aplicación de lixiviado recirculado en vertederos biorreactores 54 Figura 15. Esquema del sistema de electrocinética para la biorremediación 56 Figura 16. Posibles reacciones bioquímicas para precipitación de metales resultante de la reducción del sulfato en solución acuosa 60 Figura 17. Sub-disciplinas de la geotecnia 65 Figura 18. Definición de la ingeniería GeoAmbiental en el programa de la Universidad del Estado de Colorado 66 Figura 19. Diferentes estructuras que son posibles gracias al trabajo de la Geotecnia 67
viii
LISTA DE CUADROS
Pág.
Cuadro 1. Comparativo de tópicos incluidos en un programa de Ingeniería Ambiental Internacional y uno local ....................................................................... 69 Cuadro 2. Comparativo de los campos de acción de la Ingeniería Ambiental y la Ingeniería Geotécnica ............................................................................................ 70 Cuadro 3. Comparativo de los campos de investigación de la Ingeniería Ambiental y la Ingeniería Geotécnica ..................................................................................... 70
ix
GLOSARIO ACUITARDO: Es una formación geológica semipermeable, que contiene agua y la transmite muy lentamente, no son aptos para extraerles aguas subterráneas, pero pueden permitir las recarga vertical de otros acuíferos. ACUÍFERO: Formaciones geológicas permeables en las cuales se encuentra agua permitiendo así el almacenamiento de agua en espacios subterráneos GABRO: tipo de roca ígnea intrusiva de composición similar al basalto, compuesta principalmente de plagioclasas y clinopiroxenos. HIDRÓLISIS: Reacción de descomposición en la que interviene el agua. En los suelos, normalmente indica una reacción entre silicatos y agua pura o una solución acuosa. En tales reacciones son consumidos iones H+ u OH-, cambiando así la relación H+/OH-. HIDROLIZAR: someter un material a procesos de hidrólisis. HIDRÓMETRO: instrumento utilizado para medir la densidad de líquidos y suspensiones. El tipo más común consiste en un vástago de sección transversal constante que remata en un bulbo de vidrio lastrado que al introducirse en un líquido flota de modo que el vástago permanece en posición vertical. Cada hidrómetro es calibrado de modo que pueda leerse directamente la densidad, o el contenido de sólidos en suspensión. ILUVIACIÓN: acumulación de materia soluble o suspendido que ha sido transportado desde un horizonte superior a uno inferior en el perfil del suelo. El término se refiere principalmente, pero no en forma exclusiva, al movimiento de coloides. INCLINÓMETRO: instrumento para medir la inclinación de una línea o de una superficie. ÍNDICE DE TENACIDAD, TI: medida de la susceptibilidad de cambio dela consistencia -de un suelo debido al cambio en el contenido de humedad; numéricamente está dado por la relación entre: a) el índice de plasticidad, y b) el índice de flujo. LYSIMETERS (LISÍMETRO): es un dispositivo introducido en el suelo, rellenado con el mismo terreno del lugar y con vegetación. Es utilizado para medir la evapotranspiración de referencia del cultivo. PERMEACIÓN: Proceso por el cual, un producto químico se mueve a través del material de contención a escala molecular. La permeación implica: absorción de
x
moléculas del producto químico en la superficie de contacto (externa) del material; difusión de las moléculas absorbidas en el material; desorción de las moléculas por la superficie opuesta (interna) del material. RELAVES: (o cola) son desechos tóxicos subproductos de procesos mineros y concentración de minerales, usualmente una mezcla de tierra, minerales, agua y rocas.
11
RESUMEN
Título
EL ROL DE LA GEOTECNIA EN EL CAMPO DE LA INGENIERIA AMBIENTAL
Autores
LEONEL LEAL LEMUS CARLOS ARTURO PELAEZ SERRANO
Palabras claves: Geotecnia, ingeniería ambiental, identificad profesional
La definición del campo de la geotécnica ambiental no ha sido establecida de forma clara ni planificada, y en su defecto se ha llegado al ejercicio de esta práctica profesional mediante la respuesta a problemas ambientales encontrados en la Ingeniería Geotécnica o Geotecnia propiamente dicha. El documento presenta una recopilación bibliográfica sobre los trabajos que se han realizado en materia ambiental cuando de problemas de geotecnia se han tratado, y de esta manera al finalizar se reflexiona sobre la correcta definición de ésta área de la ingeniería. En su trayecto, el documento presenta diferentes estudios realizados y actualmente en curso para dar una visión sobre la geotecnia ambiental. Se puede encontrar dentro del documento una breve historia de la Geotecnia Ambiental y un inventario con ejemplos de los problemas que se tratan en esta área de intersección entre la Geotecnia y la Ingeniería Ambiental.
12
ABSTRACT
Title
THE ROLE OF GEOTECHNICAL FIELD OF ENVIRONMENTAL ENGINEERING
Authors
LEONEL LEAL LEMUS CARLOS ARTURO SERRANO PELAEZ
Keywords: geotechnical, environmental engineering, identify professional The definition of the field of environmental geotechnical not been established clearly not planned, and failing has come to exercise this practice by responding to environmental problems encountered in Geotechnical Engineering or Geotechnical itself . The paper presents a bibliography of the works that have been made in environmental matters when geotechnical problems have been addressed, and so at the end we reflect on the correct definition of this area of engineering. On the way, the paper presents various studies carried out and currently underway to give a view on environmental geotechnics. Can be found within the document a brief history of the Geotechnical and Environmental inventory with examples of problems that are addressed in this area of intersection of Geotechnical and Environmental Engineering.
13
INTRODUCCIÓN Hace años que se percibe que los desastres climáticos van en aumento, alrededor del 70 por ciento de los desastres están relacionados con el clima que hoy vive el planeta. Estos desastres tienen un costo humano muy alto y vienen cargados de otros costos materiales, incluso “los daños causados pos catástrofes climáticas pueden triplicarse hasta alcanzar los 185 mil millones de dólares anuales”1. Las lluvias repentinas son más destructivas, acompañadas de intensas tormentas tropicales, inundaciones y sequías repetidas que pueden aumentar, al igual que la vulnerabilidad de las comunidades locales en la ausencia de una fuerte acción preventiva. El cambio climático no es sólo una amenaza distante futura, es el principal motor detrás de las crecientes necesidades humanitarias y de las que se está viendo su impacto. El número de personas afectadas y los daños causados por el clima extremo han sido sin precedentes. Esta situación desencadena la preocupación y ocupación de las diferentes ciencias para encontrar soluciones y dar una gestión apropiada. Algunas de estas gestiones son del tipo correctivas, pero desde la óptica ambiental y utilizando la ingeniería se pueden vislumbrar técnicas proactivas para evitar nuevas contaminaciones o afectaciones a la naturaleza. Todas estas preocupaciones dieron origen a nuevas áreas dentro de la Ingeniería Civil y la Geotecnia como la Ingeniería Ambiental y la Geotecnia Ambiental. Sin embargo, el hecho de que se deriven nuevas áreas de la ingeniería también trae consigo para la academia la identificación de las fronteras y la identidad sobre lo qué es y lo qué no es cada una de estas áreas de conocimiento. Basado en estas nuevas problemáticas los autores como profesionales en formación de la Especialización en Geotecnia Ambiental de la Universidad de Santander deciden presentar este documento que ofrece información de fuentes secundarias para encontrar explicaciones y orientaciones sobre la cuestión de diferenciar la Geotecnia Ambiental y la Ingeniería Ambiental. El estudio no solo indaga escenarios locales y nacionales sino que en su mayoría se ha enriquecido con fuentes internacionales que no solo brindan validez y actualidad de contenido a la reflexión sino que también ofrecen una perspectiva externa que al comparar con la perspectiva de los documentos nacionales y locales incorporados en el análisis se genera una evaluación comparativa. De esta manera se espera ofrecer un documento que oriente a los próximos estudiantes de la Especialización en Geotecnia Ambiental sobre los aspectos que
1 Banco Interamericano de Desarrollo. Evaluación de daños y pérdidas ocasionadas por los
desastres. 2010. En: http://www.gfdrr.org/sites/gfdrr.org/files/DaLa_Vol2_Spanish.pdf Consultado el 20 de mayo de 2013
14
muchas veces se discutieron en el aula de clase acerca de la identidad como profesión de la Geotecnia Ambiental.
15
1. EL ROL DE LA GEOTECNIA EN EL CAMPO DE LA INGENIERIA AMBIENTAL
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Los temas ambientales han sido un componente importante de la Ingeniería Geotécnica desde 1980, aunque los ingenieros geotécnicos probablemente se han ocupado de las cuestiones ambientales de alguna forma, menos formal, ésta ha sido poco sistemática. Los principales problemas ambientales que enfrentan los ingenieros geotécnicos son: (1) el diseño y la construcción de nuevas instalaciones de contenedores de residuos, tales como vertederos de ingeniería utilizados para la eliminación de los Residuos Sólidos Urbanos (RSU) y residuos peligrosos, y (2) la evaluación y remediación de sitios contaminados por antiguas prácticas industriales y representa una amenaza para la salud pública y el medio ambiente. A pesar de esta claridad en la literatura, parece normal pensar, desde la especialización en Geotecnia Ambiental desarrollada en la Universidad de Santander, que se encuentra claramente definida cuál es el rol del estudio ambiental dentro de la ingeniería civil y la geotecnia misma, sin embargo, el hecho que la geotecnia analice el fenómeno desde la misma naturaleza y sus diversas formas geográficas y estructurales hace que se confundan los conceptos y no se diferencie en qué momento se incluye la variable ambiental en los problemas de ingeniería y construcción. Un ejemplo claro de esto son los problemas de estabilización de taludes, los cuales han sido un problema típico e histórico en la geotecnia pero que hoy se consideran problemas ambientales. Esto para dar solo un ejemplo. A raíz de lo anterior y en vista de que es un cuestionamiento de parte de varios de los estudiantes de la Especialización en Geotecnia Ambiental, se propone la siguiente pregunta problema: 1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA. Pregunta general. ¿Cuál es el rol de la geotecnia en el campo de la Ingeniería Ambiental? Preguntas específicas. ¿Cuál es la historia de la Ingeniería Ambiental dentro de los problemas de la geotecnia? ¿Qué temas o problemas ambientales han sido tratados dentro de la geotecnia y cuáles lo serán en el futuro? ¿Qué ejemplos representativos de los problemas ambientales pueden dejarse como material aclaratorio para futuros estudiantes de la especialización?
16
1.3 OBJETIVOS 1.3.1 Objetivo General. Determinar el rol de la geotecnia en el campo de la Ingeniería Ambiental para fortalecer la comprensión sobre la Geotecnia Ambiental como un nuevo campo de estudio y de aplicación. 1.3.2 Objetivos específicos
Describir la historia de la ingeniería ambiental dentro de los problemas de la geotecnia para reconocer los momentos importantes en que se comienza la estructuración de la geotecnia ambiental como campo de estudio y aplicación
Especificar los temas o problemas ambientales que han sido tratados dentro de la geotecnia y aquellos que corresponden a su futuro para categorizar la geotecnia ambiental como campo de aplicación y organizar los trabajos de estudio necesarios para fortalecerla
Ejemplificar los problemas ambientales de la geotecnia para ofrecer material de apoyo a los estudiantes de la especialización en geotecnia ambiental
1.4 JUSTIFICACIÓN El tema del proyecto se justifica desde la dimensión personal de los autores porque las nuevas aplicaciones ambientales que se desarrollan dentro de la ingeniería ambiental han generado todo un nuevo campo de estudio y aplicación que ha desencadenado cuestionamientos para ellos desde su formación en la especialización, no queriendo decir que la orientación recibida por la Universidad no haya sido suficiente sino que el trabajo que se propone aumentará la riqueza sobre estos temas. Desde la dimensión del programa de posgrado se hace justificable porque entrega un material apropiado y enriquecido para quienes ingresen a estos estudios en el futuro. Este material se desarrollará utilizando material bibliográfico, el cual se puede demostrar a través de la bibliografía anexa en el apartado “4.2 Población y muestra”, donde se evidencia que hay suficiente material para lograr contestar las preguntas que se plantean. De esta manera, el alcance del trabajo es de tipo documental y sus límites subyacen a la disponibilidad de este material bibliográfico. La propuesta se hace para brindar no solamente material para nuevos estudiantes de la especialización sino también para ofrecer un estado del arte aproximado que permita la definición o estructuración de las asignaturas de la especialización o la de propuestas para investigaciones que fortalezcan líneas de trabajo dentro de la facultad de ingenierías de la Universidad.
17
2. MARCO TEÓRICO 2.1 ANTECEDENTES El interés por esclarecer los problemas que deben tratarse en cada área de la ingeniería civil y la geotecnia, máxime cuando ha emergido la nueva variable ambiental, ha sido un tema tratado por ingenieros en el campo nacional e internacional. En este apartado se presentan algunos de los documentos que han sido publicados para mostrar lineamientos sobre el tratamiento temático que se le ha dado. 2.1.1 Antecedentes Internacionales. Rowe2 en el año 2007 expuso en una ponencia internacional en Brasil los avances de la disciplina que en ese momento se denominaba Ingeniería Geoambiental, nombre que aún no es acordado entre los diferentes ingenieros que la estudian; por ejemplo, en la especialización se ha denominado Geotecnia Ambiental. Este es uno de los puntos que motiva esta propuesta, ya que no existe una denominación común para hablar de la disciplina que enfrenta los problemas ambientales dentro de la geotecnia. Rowe3 presentó nueve problemas en aplicaciones geoambientales que se relacionan con el uso de materiales; estos problemas son: conductividad hidráulica, durabilidad, disecación, compactibilidad, protección, pozos, cultivos de caracoles, difusión y las temperaturas que descomponen los materiales. Posteriormente, en el 2009, se puede encontrar a Yean-Chin y Chee-Meng4 quienes presentan un documento similar a un estado del arte para mostrar las aplicaciones actuales de la ingeniería geotécnica en Malasia y cuál es el desarrollo futuro que se requiere para atender las necesidades de construcción y solución de problemas debidos a la tierra en este país. El documento presenta imágenes enriquecedoras sobre algunos problemas que se han presentado y solucionado, con aplicaciones prácticas que fortalecen la comprensión sobre la disciplina. Aseguran que en el país las construcciones son cimentadas por lo general en las blandas tierras que la constituyen y que debido al desarrollo de los últimos quince (15) años en materia económica, el país necesita que se generen soluciones para permitir este crecimiento en el plano de la construcción. Así mismo, por la densidad poblacional y la escasez de terreno, las construcciones necesitan aprovechar no solo el espacio hacia arriba sino también la profundidad del terreno, de tal manera que se ubiquen más espacios en una misma construcción.
2ROWE Kerry. Advances and remaining challenges for Geosynthetics in Geoenvironmental
engineering applications.Soils and Rocks. 2007. Sao Paulo (Brasil). Vol. 30. No. 01. p. 3-30 3 Idem
4YEAN-CHIN Tan, y CHEE-MENG Chow. Current and Future Trends of Geotechnical Engineering
in Malaysia – A consultant’s Perspective. 2009. G&P Geotechnics Snd. Vol. 23. No. 4. p. 1-14
18
En el 2010, Bohnhoff y Schackelford5 realizan un estudio similar e incluso utilizan en uno de sus apartados dentro del documento la expresión “Estado del Arte” para referirse no solo a los estudios realizados sino también a las prácticas de la ingeniería geoambiental. Estas prácticas incluyen el uso de muros de contención y disposición para los residuos con nuevos materiales como bentonita de sodio, aceites naturales, Geosintéticos, nanocompuestos y geomembranas. También debaten sobre los retos que esta disciplina debe enfrentar, entre los que enuncian básicamente dos: uno es el de manejo de la salud, el cual puede ser causado por los nuevos materiales que se utilizan para las aplicaciones geoambientales, sea porque el material trae implícitos diferentes compuestos que al contacto con el hombre pueden ocasionarle enfermedades, o porque la reacción de estos materiales con otros como los residuos pueden ocasionar gases que afectan también a la salud humana; en segundo reto plantean la parte de compromiso de los gobiernos y las comunidades. 2.1.2 Antecedentes nacionales. En el caso colombiano, la preocupación por la variable ambiental como parte integrante del trabajo de la geotecnia, también tiene antecedentes documentales, no obstante, éstos no tienen el nivel de actualización de los internacionales; hecho que justifica la elaboración de este documento. En el año de 1995 Hermelin6 entrega un documento de reflexión sobre la necesidad de mantener un equilibrio entre la tierra y el desarrollo, resaltando cómo nuestros antepasados americanos antes de la colonización mostraron armonía en este sentido, sin embargo exalta cómo Colombia ha iniciado una tarea de recuperación del terreno perdido en busca de un nuevo equilibrio a través de la legislación ambiental. Destaca que en el campo de las ciencias de la tierra, para la época se hablaba del cambio climático, la gestión del entorno natural y la identificación de amenazas naturales. Entre los problemas que se vislumbraban para le época, el autor hablaba de la exposición de las vertientes de los altiplanos de las cordilleras a fenómenos catastróficos cuya frecuencia y magnitud deben ser estudiados por medio de las ocurrencias y depósitos que los originan. Estos problemas se enmarcaban dentro de una ciencia conocida como la geomorfología. En el 2004, Rodríguez7 preocupado por la formación de los profesionales en Geotecnia y su perfil competitivo internacional presenta los desarrollos de esta disciplina mediante el uso de herramientas de las matemáticas en la mecánica y las soluciones químicas y técnicas modernas de construcción, así como ejemplos
5 BOHNHOFF Gretchen, y SHACKELFORD Charles.Global Geoenvironmental Engineering
Challenges. 2010. The first US-India Workshop on Global Geoenvironmental Engineering Challenges. New Delhi (India). 6 HERMELIN Michel. Las ciencias de la tierra y el medio ambiente en Colombia. Revista
Colombiana de Ciencias. 1995. Vol. 19. No. 75. p. 695-703. 7 RODRÍGUEZ Jorge. Hacia la integralidad de la enseñanza y la práctica profesional en Geotecnia.
Ingeniería Universitaria. 2004. Bogotá. Vol. 8. No. 2. p. 159-171.
19
prácticos en el campo de la geotecnia en Bogotá. De esta manera se avanza en el esclarecimiento y actualización de la disciplina geotécnica pero no se aborda la variable ambiental. En el año 2006, Rebata et al.8 presentan un resumen sobre un encuentro latinoamericano de profesores de Geotecnia, en donde se debatieron las necesidades y desafíos de esta disciplina en Latinoamérica, se compartieron las herramientas y la solución de problemas comunes, y se establecieron nuevas líneas de investigación colaborativa. Entre los desafíos que concluyeron se enuncian: la geotecnia ambiental, los suelos inusuales, la geotecnia sísmica y la estabilidad de taludes. Aun cuando el informe resaltó la necesidad de fortalecer la variable ambiental en la geotecnia, no se realizaron exposiciones de trabajos sobre el tema o se profundizó sobre este. Este último informe no solo demuestra la importancia de la variable ambiental que ha incitado además a la generación de una nueva disciplina, la ingeniería geotécnica o geotecnia ambiental, sino que también justifica la necesidad de un trabajo documental como el que aquí se propone para sentar bases para la discusión. 2.2 MARCO REFERENCIAL 2.2.1 Tipos de depósitos para desechos. En el campo ambiental de la ingeniería se puede decir que existe la necesidad de realizar análisis a los depósitos para materiales secos y de contenido acuoso. La ingeniería geotécnica es quien se ha ocupado de estos temas pero cuando ingresa la variable ambiental, es decir la conservación de estos terrenos o masas de agua en su estado natural, preservando la naturaleza y la salud de los seres vivos incluyendo el hombre, se puede hablar de la Geotecnia Ambiental. Ésta, no solo es útil para la prevención de la contaminación de los escenarios naturales sino que también es útil en la rehabilitación de los mismos9. Para lograr estos objetivos, ésta área de la ingeniería realiza diseños y construcciones, a la par que realizainvestigaciones en cuanto a nuevas técnicas de recolección y disposición de residuos, nuevos materiales para realizar las construcciones así como seguimientos y pruebas sobre las soluciones ya implementadas10. Dentro de las diferentes situaciones que se analizan, se encuentra la del almacenamiento de residuos sólidos, el cual es realizado con alguna de las siguientes técnicas: mediante la formación de pilas de residuos orgánicos o minerales, cerrando valles o riachuelos, estabilizando cumbres o cerros, rellenando espacios con residuos, botaderos en media ladera. En la decisión sobre qué tipo de botadero se debe utilizar es importante establecer
8 REBATA Verónica, VALDES Julio, y SANTAMARIA Carlos. Encuentro de profesores latinos de
Geotecnia. Atlanta (Georgia). 2006. Revista Internacional de Desastres Naturales, Accidentes e Infraestructura Civil. Vol. 6. No. 02. p. 107-110 9OLEA FRANCO, Pedro y SANCHEZ DEL CAPRIO, Francisco. Manual de técnicas de
investigación documental para la enseñanza media. Esfinge. 1999. p. 106 10
MITCHEL K., y JABER M. Factores de control a largo plazo de los muros de contención de gramilla. Sistemas de contención de residuos. 2006
20
o decidir sobre el costo del transporte, la topografía del sitio, el transporte hasta el lugar, y el volumen de material apilado11. En el caso del almacenamiento de desechos húmedos orgánicos o de minerales es apropiado el uso de embalses o diques construidos en un encerrado de valles, mediante diques o bordes artificiales de contorno que por lo general deben ser excavados completamente o en depresiones naturales. 2.2.2 Presas o diques de relave. Específicamente en las situaciones donde se utiliza depósitos superficiales con retención de desechos industriales es posible dividir éstos en dos tipos: ya sea utilizando presas o diques de tipo convencional y mediante rellenos hidráulicos construidos por etapas12. En el caso de las presas de tipo convencional se puede utilizar para construir con materiales de tipo estéril utilizando el mismo mineral que se extrajo en dicha área o en definitiva de materiales que se han traído de otro lugar, para lo cual se puede utilizar métodos que comúnmente se utilizan en ingeniería. De estas estructuras se puede llegar a construir una forma viable en momentos donde el volumen de agua o afluentes industriales no han sido reciclados y han sido almacenados junto con el relleno13. Estas estructuras que se han construido mediante un proceso por etapas se pueden clasificar en los siguientes tipos de métodos de construcción: relleno aguas arriba y en línea central, y relleno construido aguas abajo. Con esta clasificación se intenta presentar el enfoque constructivo teniendo como referencia la dirección del avance del relleno a partir del dique o presa que inicialmente se tenía, el cual irá tomando forma en la medida que aumenta en altura. Para estos métodos es importante establecer que para una misma altura del relleno, embalse o presa, se emplea un mayor volumen de material cuando se emplea el método aguas abajo, mientras que la empleada por el mecanismo de aguas arriba tiene como desventaja el uso como apoyo de cimentación los insumos depositados, que por lo general no se consolidan totalmente. Por otra parte, las características de estos diques muestran resultados diversos con respecto a los materiales de contención utilizados, debido a que en una presa estructurada con tierra convencional, el sentido de la fuerza que ejerce el agua que va en descenso aumenta las fuerzas de fricción en la presa en su cara de fundación o cimentación. En una presa de relaves donde la construcción se
11
BOSQUE, Teresa y RODRÍGUEZ, Tomás. Investigación documental.Trillas. 1988 12
KAVZANJIAN, G., MATASOVIC, N., BONAPARTE, R. y SCHMERTMANN, G. "Evaluation of MSW propoerties for seismic analysis" Geoenvironmental 2000, New Orleans, USA. 1995 13
CÁZARES HERNÁNDEZ, Laura. Et. al. Técnicas actuales de investigación documental. Trillas. 1991.
21
realiza con el método aguas arriba, las presiones del agua generan una fuerza ascendente que desestabiliza el sistema14. Otra consideración importante es tener en cuenta el factor que incide en los movimientos sismológicos en la estabilización de las presas de relave. Una buena cantidad de las fallas que se han registrado son producidas por el efecto de los terremotos que adicionalmente pueden originar fenómenos de licuación, pudiendo originar la falla catastrófica con las consecuentes pérdidas materiales y humanas15. De esta misma forma, es requiere prever que podrán ocurrir otro tipo de accidentes y fallas por una inestabilidad en el apoyo de la cimentación, el flujo y/o las filtraciones incontroladas, los diques y los muros de arranque inadecuados, o el mal funcionamiento del sistema de deposición, las vibraciones producidas por explosiones en la mina, erosión por lluvia, etc. En estos casos por lo general es posible elaborar un diseño en forma adecuada haciendo uso de la geotecnia ambiental16. 2.2.3 Revestimiento e Impermeabilización. La impermeabilización de las estructuras que se construyen para el almacenaje de los residuos industriales o mineros y la protección del suelo, es un objetivo principal en la minimización de las infiltraciones de efluentes líquidos contenidos en los residuos contaminantes, generando un daño ambiental por tales infiltraciones por su capacidad de generar alteraciones en la estructura constitutiva de las aguas superficiales y subterráneas. Para llegar a estos objetivos existen tres métodos de impermeabilización17:
Impermeabilizar mediante el uso de materiales naturales, y a partir de suelos arcillosos o si es posible mediante mejoras con aditivos que disminuyan la permeabilidad y que sean mejores en cuanto a la forma de trabajarlos y disponerlos.
Impermeabilizar mediante materiales artificiales, a partir de productos elaborados con membranas de PVC y caucho (jebe), y otros a base de emulsiones asfálticas.
Impermeabilizar mediante materiales naturales y artificiales, mezclando las formas explicadas en los dos apartados anteriores.
En términos generales, sin importar la solución que se adopte, se debe tener en cuenta las características de la construcción que se implementará en el lugar, se
14
CARRILLO Gil, A. "La ingeniería geotécnica y el control del medio ambiente" Conferencia Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo, Lambayeque, 1990. Perú 15
MITCHEL K., y JABER M. Factores de control a largo plazo de los muros de contención de gramilla. Sistemas de contención de residuos. 2006. 16
CAZARES. Op cit. 1991 17
BAENA, Guillermina. Instrumentos de Investigación. Editores Mexicanos Unidos. 1998.
22
debe también tener un adecuado sistema de drenaje mediante la construcción de sistemas drenantes, drenes con tubos perforados o ranurados, los cuales actúan dependiendo de las necesidades del proyecto18. Existe una serie de efectos debidos al funcionamiento de los sistemas de drenaje y los de impermeabilización asociados. Estos efectos son19:
Disminución de la fuerza o presión del agua sobre la superficie impermeabilizada.
Aceleración del proceso de aumento de densidad de los residuos acopiados.
Mitigación de eventuales niveles de presión que son menores al aconsejado sobre la impermeabilización, en especial durante la etapa de la construcción.
Orientación de la forma más adecuada de las infiltraciones contaminantes a través del sistema impermeabilizante.
Tomando en consideración los métodos de construcción y funcionamiento de los sistemas de revestimiento actuales, es inminente la necesidad de realizar una revisión a las propiedades generales de los insumos que constituyen estos revestimientos, es decir las arcillas y geosintéticos (tales como geotextiles, geomembranas, georedes, geonets, entre otros. Según la referencia de la Environmental Protection Agency-US EPA20, en los Estados Unidos se tiene estipulado que las arcillas a utilizar deben tener un coeficiente de permeabilidad mínimo de k = 10-7 cm/s o menos. Para llegar a este valor el suelo arcilloso debe cumplir con las siguientes características21:
Contener al menos un 20% de granos finos.
El Índice Plástico no debe superar el valor de 10. Suelos que tienen un Índice Plástico tan grande como 30 son muy difíciles de trabajar en el campo.
El suelo no deberá tener más de 10% de grava.
El suelo no deberá contener partículas grandes o bolos de roca mayores de 1" a 2" de diámetro efectivo.
En muchos casos los materiales encontrados en el lugar de la construcción pueden ser a menudo no-plásticos. En estos casos deben mezclarse con arcillas o bentonita sódica con el fin de reducir el coeficiente de permeabilidad y por lo tanto impedir que lo líquidos contaminantes actúen.
18
MORALES Jorge y CADAVID Gilberto (1984), Investigaciones Etnohistóricas y Arqueológicas en el área Guane. Bogotá, FIAN, Banco de la República, 163 p 19
BRAJA Das. Principios de ingeniería geotécnica y geotecnia ambiental. PWS Publishing. 2004. Boston. 20
EPA (Environmental Protection Agency). "Requirements for hazardous waste landfill design". Pub EPA 625/4-89-022, Cicinnati, Ohio, 1989. USA 21
CARRILLO. Op cit. 1990
23
3. DISEÑO METODOLÓGICO 3.1 TIPO DE ESTUDIO Este trabajo se puede tipificar como una investigación documental basados en la definición de Baena22 quien afirma que “la investigación documental consiste en la selección y recopilación de información por medio de la lectura crítica de documentos y materiales bibliográficos, de bibliotecas, centros de documentación e información”. Este estudio cumple las características anteriormente mencionados puesto que el material y/o documentos utilizados se han extraído de un tipo especial de centros de documentación e información conocidos como bases de datos. Las bases de datos utilizadas para el desarrollo de este trabajo se referencian en el siguiente apartado. En cuanto a la característica de la investigación documental sobre la lectura crítica se ha utilizado como criterio la selección y recolección de información para contestar las preguntas de investigación, guardando siempre coherencia con los resultados esperados. 3.2 MÉTODOS Y TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS Básicamente, el método de trabajo fue la consulta bibliográfica y cómo técnica se emplearon las fichas documentales donde se iban tomando notas de la información encontrada que posteriormente se analizó y mediante un mapa conceptual se dio un hilo conductor o relación entre los diferentes conceptos. Es importante comentar que para la consulta bibliográfica solo se utilizaron bases de datos disponibles por la universidad, como: EBSCO, ScienceDirect, y Ambientalex.info:
22
BAENA G. Instrumentos de investigación. 22ª impresión. Editorial Editores Unidos. México. Citado por AVILA Hector en Introducción a la metodología de la investigación. 2007. México.
24
4. BREVE PERSPECTIVA HISTÓRICA DE LA VARIABLE AMBIENTAL DENTRO DEL CAMPO DE LA GEOTECNIA
Algunas de las principales preocupaciones de los años 80 en la geotecnia era la capacidad para medir con precisión la conductividad hidráulica (k) de todo tipo de geomateriales, incluyendo acuitardos naturales, revestimientos de arcilla compactada (CCL), barreras verticales (por ejemplo, paredes de corte), y cubiertas utilizadas en los sistemas de contención de residuos, los efectos de las soluciones químicas (por ejemplo, los lixiviados) en la k de los suelos (en adelante denominada "permeabilidad"), el papel del transporte de contaminantes a través de los CCL y los problemas asociados con el control deficiente o marginal de la calidad en la construcción de ingeniería de sistemas de contención. La preocupación por la integridad de los CCL surgió debido a los problemas relacionados con factores tales como la incompatibilidad entre los CCL y las soluciones químicas que desencadena un aumento significativo de k, y la protección de los CCL frente a los desastres ambientales (por ejemplo, grietas de desecación, congelación y descongelación) durante y después de la construcción. Tales preocupaciones condujeron a la utilización de revestimientos compuestos, en capas relativamente delgadas (0,76-2,3 mm) de materiales de polímero, conocidos como revestimientos de membrana flexible (RMF), y a las láminas impermeables fabricadas en diferentes resinas plásticas (GMLs) de uso hoy en día, las cuales se colocan en la parte superior de y en contacto íntimo con los CCL como un forro. Hacia el final de la década de 1990, los ingenieros geotécnicos siguieron centrándose en la medición de la k de los CCL en el campo en relación con experimentos a escala en el laboratorio, así como otros problemas asociados con los sistemas de contención de residuos, tales como la compresibilidad de los RSU (Residuos Sólidos Urbanos) y nuestra capacidad para predecir los asentamientos de los RSU en los vertederos. El advenimiento del interés en el uso de una amplia variedad de materiales geosintéticos distintos de GMLs, tales como geotextiles, georedes, y geocompuestos, comenzaron a aumentar alrededor de 1990, y el revestimiento de arcilla geosintética (GCL), que consiste en una capa delgada de bentonita de sodio intercalada entre dos geotextiles, unidos por costuras y/o encolado, se introdujo en el mercado. Los ingenieros geotécnicos comenzaron a entender que su capacidad para abordar las cuestiones relacionadas con el transporte de contaminantes y la permeabilidad se basó en gran medida en la comprensión de los conceptos en los campos de la química y la hidrología subterránea y la necesidad de incorporar estos nuevos conocimientos en la educación formal de los ingenieros geotécnicos. En la década de 1990, maduraron los aspectos relativos a los revestimientos en la ingeniería y las cubiertas para instalaciones de contención de residuos, se llevaron a cabo esfuerzos para mejorar (i) la comprensión de la operación de los sistemas
25
de eliminación y recogida de los lixiviados en los vertederos, (ii) la capacidad para predecir los asentamientos de residuos, y (iii) el conocimiento de las propiedades de geosintéticos utilizados en instalaciones de contención de residuos. Las cuestiones relacionadas con la estabilidad de los residuos y de los sistemas de contención de residuos bajo condiciones de carga tanto estática como dinámica también llegaron a la vanguardia en la década de 1990. Desde finales de la década de 1970 hasta principios de 1990, los ingenieros geotécnicos también comenzaron a centrar sus esfuerzos en abordar las cuestiones relacionadas con la evaluación y remediación o limpieza de los sitios contaminados. Estos esfuerzos involucraron la cooperación con otras disciplinas, como la Geología, Ingeniería Química e Ingeniería Ambiental. Mientras que los profesionales de estas otras disciplinas pueden haber poseído un mayor conocimiento de los procesos químicos y biológicos inherentes a muchas de las tecnologías de tratamiento que se estaban desarrollando en ese momento específico, su experiencia se enfocaba principalmente en los sistemas de construcción o limpieza de los sistemas de tratamiento, lo que es diferente a los sistemas de disposición de desechos. Así, los ingenieros civiles, ingenieros geotécnicos eran capaces de contribuir con su conocimiento en los sistemas de ingeniería civil en general y el comportamiento de los suelos en particular, al desarrollo y evaluación de sistemas de tratamiento para la remediación de sitios contaminados. Los ingenieros geotécnicos tenían un gran registro de experiencias sobre el comportamiento de las arcillas como materiales de ingeniería, lo que proporcionaba el impulso para la investigación sustancial en la década de 1990 encaminadas a utilizar campos eléctricos para la eliminación de contaminantes de las arcillas (por ejemplo, a través de electro-ósmosis). Los ingenieros geotécnicos también se han adaptado rápidamente en su experiencia, con técnicas de mejoramiento de suelos, utilizándolos para tratar las cuestiones ambientales relacionadas con la remediación, tales como la estabilización y solidificación de los contaminantes en el subsuelo (por ejemplo, a través de los mejoramientos de suelo superficial y profundo mediante la adición de cemento o cal). Además, a lo largo de la historia, los ingenieros geotécnicos han utilizado paredes verticales de corte para propósitos estructurales, fácilmente adaptables para la construcción de barreras de corte (bentonita-suelo y bentonita-cemento) en la contención in situ de agua subterránea contaminada. Al mismo tiempo, con su cada vez más diversa educación formal, los ingenieros geotécnicos comenzaron a desempeñar un papel cada vez mayor en el desarrollo de otros sistemas de tratamiento in situ para la remediación, tales como el uso de tensoactivos o codisolventes para la movilización y la eliminación de la fase no acuosa de los líquidos (NAPL) desde el subsuelo, y el uso de hierro de valencia cero en tratamientos reactivos y pasivos (es decir, trincheras) para la decloración de los disolventes clorados, tales como tetracloroetileno (PCE) y tricloroetileno (TCE), en aguas subterráneas contaminadas con estos compuestos.
26
Como se desprende de esta breve perspectiva histórica, los ingenieros geotécnicos han jugado un papel importante en la solución de problemas ambientales de manera formal por lo menos un el último cuarto de siglo. Durante este período de transición, la importancia de las cuestiones ambientales en la Ingeniería Geotécnica ha crecido hasta el punto de que una nueva sub-disciplina emerge, comúnmente conocida como Geotecnia Ambiental, la cual intenta ser hoy reconocida. En reconocimiento del impacto histórico de las cuestiones ambientales en Ingeniería, el objetivo de este trabajo es mostrar algunos de los problemas ambientales actuales y futuros de la Ingeniería. En este sentido, se describen siete problemas ambientales actuales y/o futuros de la Ingeniería, incluyendo: a. Estabilidad a largo plazo de los sistemas de contención de residuos b. La aceptación de las barreras alternativas y materiales de contención c. La necesidad de barreras y materiales innovadores para su construcción d. La aparición de nuevas formas de residuos, (5) el aumento de la importancia
de los procesos biológicos e. El papel de los modelos, y f. La importancia de la identidad profesional y la necesidad de una terminología
coherente y profesional. La importancia de cada tema se ilustra a través de uno o más ejemplos en el siguiente capítulo. Dentro de la evolución de la gestión ambiental en la geotecnia vale la pena presentar los avances en la práctica sobre esta temática. Un ejemplo de esto lo constituye GA en Chile23. Esta empresa desarrolla proyectos de tipo geotécnico pero con énfasis en variables ambientales como: mecánica de suelos para el emplazamientos de líneas de alta tensión, diseño geotécnicos para la ampliación de depósitos de ripios, análisis de estabilidad mecánica para el cierre de depósitos de residuos mineros, ingeniería para envases y la contemplación de las variables ambientales, y la ampliación de los rellenos sanitarios.
23
Véase: http://www.geotecniaambiental.cl/empresa/
27
5. PROBLEMAS Y EJEMPLOS DE LA GEOTECNIA AMBIENTAL: PRESENTE Y FUTURO
5.1 ESTABILIDAD A LARGO PLAZO DE LOS SISTEMAS DE DISPOSICION
DE DESPERDICIOS. La fecha exacta de cuando se comenzó a utilizar los sistemas actuales de contención de residuos es incierta, pero el uso de revestimientos en los sistemas de contención de residuos para proteger la calidad del agua subterránea se ha practicado en algunos tipos de rellenos sanitarios en varias partes del mundo desde mediados de los años 7024. Este período de tiempo corresponde también, en cierta medida, con los acuerdos multilaterales en materia ambiental en el orden mundial. Desde entonces, el uso de sistemas de disposición de residuos en vertederos, embalses de superficie, y pilas de residuos se ha generalizado cada vez más, y la complejidad y las capacidades de estos sistemas han mejorado progresivamente. De hecho, la eliminación en vertederos sigue siendo el método más utilizado para tratar los RSU y muchos otros tipos de residuos.25 Una revisión relativamente reciente del estado del arte de los modernos sistemas de contención de residuos ilustra que tales sistemas son hasta la fecha exitosos en términos de minimizar la posibilidad de contaminación de las aguas subterráneas26. A pesar de los sistemas modernos de revestimientos para la contención de residuos aún existen problemas por fugas; sin embargo las tasas de fugas suelen ser lo suficientemente bajas para que las descargas en masa de los contaminantes se limiten a las tasas que permiten la atenuación de los contaminantes por procesos ambientales naturales y sin efectos perjudiciales significativos para la salud humana y el medio ambiente. Sin embargo, se requiere de que los lixiviados generados por los vertederos sean evaporados para aumentar la vida activa del vertedero, más un período posterior al cierre de 30 años. Teniendo en cuenta la edad relativamente joven de los sistemas de contención de residuos modernos, y la modificación periódica de la normativa que regula la eliminación de residuos, este período de 30 años aún no se ha cumplido para ningún vertedero. Como resultado de ello, se requiere una evaluación continua de las modernas instalaciones de contención de residuos para asegurar que el rendimiento a largo plazo de estas instalaciones proteja la calidad del agua subterránea, el medio ambiente y la salud humana. Por lo tanto, el rendimiento a largo plazo de las modernas instalaciones de confinamiento de residuos seguirá siendo un problema ambiental de interés para los ingenieros geotécnicos en el futuro previsible.
24
BONAPARTE, R., DANIEL, D. E., y KOERNER, R. M. Evaluación y recomendación para la mejora del rendimiento de sistemas de contención de aguas residuales. 2008. EnvironmentalProtection Agency. Estados Unidos. 25
Idem. 26
BENSON C. H. y EDIL T. B. Un contenedor de membrana de polímeros como barrera. 2004 Environmental Science and Technology. Vol. 38. No. 19. p. 52-63.
28
En este sentido, se proporcionan dos ejemplos de algunos datos recientes para ilustrar la importancia potencial de este problema, a saber, (1) la reciente aparición de Compuestos Orgánicos Volátiles (COV) en lisímetros por debajo de los revestimientos en vertederos, y (2) la conductividad hidráulica de los revestimientos de arcilla geosintéticos (GCL) sometidos a la permeación prolongada con soluciones de sales inorgánicas. 5.1.1 Compuestos Orgánicos Volátiles. En el mundo es muy conocido que se instalen grandes lisímetros colectores27, aproximadamente de 10 metros (drenajes) directamente debajo del revestimiento de cada celda del relleno sanitario forrado para monitorear la cantidad y la calidad del agua descargada a través del revestimiento (Véase la Figura 1). Un reciente análisis del líquido recogido en algunos de estos lisímetros indica que una amplia variedad de compuestos orgánicos volátiles en diversas concentraciones han aparecido con diferentes frecuencias. Las concentraciones superiores a los niveles máximos de contaminantes (MCL) se han encontrado en 90 de las 1200 muestras (8%) a partir de células con revestimientos que contienen principalmente geomembranas, tolueno, tetrahidrofurano, diclorometano, benceno, y etil-benceno28. Figura 1. Esquema típico de la instalación de un lisímetro colector debajo de una capa de arcilla compactada para una instalación de residuos sólidos
Fuente: autor del proyecto
En general, las tendencias temporales en las concentraciones de COV no han sido contundentes, sino que éstas tienden a fluctuar alrededor de algún valor medio29. Las concentraciones encontradas de diclorometano presentan una mayor cantidad de la que se espera (Figura 2). Otro aspecto interesante de los datos recogidos
27
En inglés la palabra es lysimeters 28
Idem. 29
Idem
Residuo Sólido
Capa de Arcilla Compactada
Geomembrana
Lisímetro colector
29
hasta ahora es que las concentraciones de COV en los lisímetros tienden a ser en promedio alrededor de 5 a 10 veces menor que la concentración en el lixiviado30, por lo que se puede concluir que el esquema con capas de arcilla compactada funciona pero aún no es confiable con respecto a los límites esperados. Por último, las concentraciones de diclorometano (DCM) recogidos en lisímetros debajo de las células revestidas de material compuesto se comparan con los de las células de arcilla forradas en los diagramas de caja que se muestran en la Figura 3. Figura 2. Concentraciones de diclorometano en un lisímetro colector
Fuente: elaborado a partir de datos en Benson y Edil. 2004.
NMC = Nivel Máximo de Contaminante ALP = Acción Límite de Protección La línea central de cada caja representa la mediana de los datos, los bordes inferior y superior de cada caja representan el rango intercuartil (es decir, 25 al percentil 75), y las líneas exteriores o "bigotes" representan los percentiles 5 y 9531. Como se muestra en la Figura 3, las concentraciones de DCM en lisímetros debajo de células conformadas por compuestos no tienden a ser más bajo que los recogidos debajo de las células conformadas sólo con arcilla compactada. Esta similitud en las concentraciones de DCM no es necesariamente sorprendente,
30
Idem. 31
ALBRIGHT W. H, BENSON C. H., GEE G. W., ROESLER A. C., y ABICHOU T, APINMANTRAGOON P., LYLES B. F., y ROCK S.A. Balance de agua en un campo de relleno. Journal of Environmental Quality. 2004. Vol. 33. No. 6. p. 2317-2332
Concentr
ació
n (
ug/L
)
1000
100
10
1
0.1
1 2 3 4 5 6 7 Tiempo (años)
NMC
ALP
30
dado que las geomembranas típicamente proporcionan poca resistencia a la difusión de compuestos orgánicos volátiles32. Figura 3. Comparaciones del diagrama de caja de las concentraciones de diclorometano en lisímetros debajo de células de arcilla y de materiales compuestos.
Fuente: elaborado a partir de datos en Benson y Edil. 2004.
ALP = Acción Límite de Protección RE = Refuerzo Estandard La existencia de componentes orgánicos volátiles en los lisímetros no se preveía, principalmente porque tradicionalmente los revestimientos han sido más gruesos que los exigidos por las regulaciones ambientales. Por ejemplo, antes de 1996, las células de rellenos sanitarios se construían con un mínimo de 1,524 m de arcilla compactada, que era 67% mayor que el espesor mínimo de 0,914 m de arcilla compactada requerido por la regulación. Con posterioridad a 1996, la regulación ha requerido un revestimiento de material compuesto que consiste en un revestimiento de geomembrana (GML) suprayacente y en contacto íntimo con 1,219m de arcilla compactada. Aunque este requisito para un revestimiento compuesto es consistente con los requisitos actuales, el espesor mínimo de la porción de arcilla compactada de los revestimientos construidos es hoy en día 100% más grueso (1,219 vs 0,610 m) que la exigida. Sin embargo, las muy bajas concentraciones observadas hasta la fecha sugieren que los revestimientos en los vertederos de la ingeniería moderna han funcionado bien, al menos para el marco
32
EDIL T. B. Una revisión de los transportes VOC en fase acuosa en revestimientos de rellenos sanitarios modernos. Waste Management. 2003. Vol. 23. No. 7. Pág. 561-571.
4
3
2
1
0
-1
-2
Log.
Concentr
ació
n (
ug/L
)
Arcilla Compuesto
RE
ALP
31
de tiempo relativamente corto de rendimiento (aprox. 10 a 20 años ), y los efectos de los procesos de atenuación natural como la dilución, la adsorción y degradación probablemente harán que las concentraciones de estos compuestos orgánicos volátiles estén por debajo de los niveles detectables en el momento en que los contaminantes lleguen al punto de cumplimiento según las normas33. Sin embargo, el historial de rendimiento es relativamente corto para el seguimiento continuo de estos y otros vertederos y serán necesarios realizarlos en el largo plazo, antes de sacar conclusiones definitivas respecto al rendimiento de los sistemas modernos de contenedores de residuos. 5.1.2 Intercambio de cationes y la conductividad hidráulica a largo plazo en Revestimientos Geosintéticos de Arcilla (GCL). Los Revestimientos Geosintéticos de Arcilla manufacturados (GCL) se componen de láminas delgadas (aprox. 10 mm) de bentonita de sodio intercalados entre dos geotextiles y se mantienen unidas por una costura con agujas, y/o encolado; estos se han convertido cada vez más en el preferido para uso en revestimientos y cubiertas para sistemas de contención de residuos, principalmente debido a la facilidad de construcción y su costo relativamente bajo. Sin embargo, los resultados de varios estudios han demostrado que el intercambio de cationes de calcio-por-sodio puede reducir la capacidad de hinchamiento de la bentonita en los GCL después de la hidratación y en última instancia a la desecación de la bentonita y el pobre rendimiento hidráulico de los GCL34. El calcio se deriva de los suelos circundantes, y migra en el GCL por lo general en condiciones insaturadas presumiblemente en respuesta tanto a los gradientes hidráulicos (de succión) y químicos. Por ejemplo, asúmase un GCL que se utiliza en una instalación de contención para un tanque de almacenamiento de petróleo desecado. La extracción del complejo de cambio de la bentonita en el GCL reveló que los cationes de sodio que originalmente dominaron el complejo de intercambio habían sido reemplazados por cationes de calcio presumiblemente a través de flujo o difusión desde el suelo de la cimentación subyacente en condiciones de insaturación. En otros casos, la exhumación del GCL colocado en sistemas de cobertura, se ha observado que se han vuelto extremadamente desecados (por ejemplo, véase Figura 4) debido al intercambio catiónico resultante de la lixiviación de los suelos ricos en calcio colocados sobre los GCL para su protección35.
33
BENSON y EDIL. Op cit. 2004. 34
JO H. Y., BENSON C. H., y EDIL T. B. Conductividad hidráulica y de intercambio catiónico en bentonita no prehidratada y prehidratada impregnados con soluciones de sales inorgánicas débiles. 2004. Clays and ClayMinerals. Vol. 52. No. 6. Pág. 661-679. 35
JAMES A. N., FULLERTON D., y DRAKE R. Rendimiento de campo bajo condiciones de intercambio de iones. 1997. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. Vol. 123. No. 10. Pág. 897-901
32
Figura 4. Fotografía de bentonita desecada
Fuente: BENSON C. H. y EDIL T. B. Un contenedor de membrana de polímeros como barrera. 2002 Environmental Science and Technology. .
La desecación resulta de la capacidad de hinchamiento de la bentonita, la cual se reduce significativamente ante el cambio del complejo dominado por cationes de calcio, de tal manera que la re-hidratación de la bentonita da lugar a una hinchazón para cerrar las grietas. Aunque los análisis forenses postconstruction revelan la causa de la desecación y el bajo rendimiento resultante de los GCL, no existe una comprensión fundamental de los mecanismos asociados con la migración de calcio (u otros cationes multivalentes) adquiridos. Tal comprensión puede ser importante, por ejemplo, en términos de la determinación de las medidas para prevenir tal desecación e introducir parámetros en el diseño. El efecto de las sales invasoras (es decir, cationes) también tiene implicaciones importantes en términos del rendimiento hidráulico a largo plazo del GCL utilizado como capa o componente del revestimiento en las instalaciones de contención de residuos. Por ejemplo, considérese el siguiente caso: basado en pruebas de conductividad hidráulica de la permeabilidad del GCL con soluciones químicas que contienen diferentes concentraciones de cloruro de calcio (CaCl2). Los especímenes no-prehidratados fueron expuestos a las soluciones de CaCl2 durante 48 horas antes del inicio de la permeación con las soluciones de CaCl2, mientras que los especímenes prehidratados se impregnaron con agua desionizada durante periodos prolongados de tiempo (> 1 año) antes de la permeación con las soluciones de CaCl2. Para todas las pruebas, el gradiente hidráulico (i) aplicado para la permeación fue aproximadamente de 200, y todas las pruebas se llevaron a cabo hasta el equilibrio químico entre el efluente y el influente en términos de calcio (Ca2
+), cloruro (Cl-), y la conductividad eléctrica fue mejorada.
33
La conductividad hidráulica de todos los especímenes de GCL aumentó con el tiempo del equilibrio químico que se haya establecido, a mayores aumentos en la conductividad hidráulica y duraciones más cortas de prueba generan un aumento de la concentración de CaCl2. En el caso de los ensayos efectuados utilizando soluciones con concentraciones inferiores a 5, 10, y 20 m-m de CaCl2, las duraciones de las pruebas que se requieren para lograr el equilibrio químico oscilaron entre los 0,5 a 1,5 años para los especímenes no-prehidratados y en alrededor de 1,3 a 2 años para los especímenes prehidratados. Las mayores duraciones en las pruebas que utilizaron soluciones con las concentraciones más bajas de CaCl2 se pueden atribuir, en parte, a la menor tasa de carga de Ca2
+, la cual requiere un mayor tiempo para el intercambio de equilibrio con el sodio (Na+) inicialmente en el complejo de intercambio con la bentonita36. Las duraciones más largas para los especímenes prehidratados en relación con los especímenes no prehidratados se pueden atribuir, en parte, a la conductividad hidráulica menor obtenida como resultado de la inflamación de la bentonita debido a la permeación con agua desionizada (aunque esta observación no es fácilmente observable para las pruebas que utilizan soluciones de 5, 10, y 20 mM de CaCl2). 5.2 BARRERAS CON MATERIALES ALTERNATIVOS Las barreras alternativas son aquellos forros o fundas para los sistemas de contención de residuos, que se utilizan en lugar de las barreras reguladas o prescritas, tal como los resumen Koerner et al.37, pero que tienen un rendimiento equivalente o mejor con respecto a las barreras reguladas. Los materiales de contención alternativos se refieren a los materiales utilizados como barreras alternativas o como componentes de las barreras alternativas, y pueden estar constituidos por materiales no-poliméricos o diferentes a materiales del suelo, tales como el asfalto38 y residuos de la fabricación de papel39, o de suelos poco comunes que pueden ser capaces de lograr las propiedades prescritas (por ejemplo, k ≤ 10-7 cm / s), como algunos suelos residuales o lateríticos40. La
36
JO H. Y., BENSON C. H., SHACKELFORD C. D., LEE J.M. y EDIL T. B. Conductividad hidráulica a largo plazo de un revestimiento de arcilla geosintéticos (GCL) impregnado con soluciones de sales inorgánicas. 2005. Journal of Geotechnical and Geo-environmental Engineering. Vol. 131. No. 4 37
KOERNER J. R., SOONG T. Y., y KOERNER R. M. A Survey of Solid Waste Landfill Liner and Cover Regulations: Part I-USA Status. Geosynthetics Research Institute. 2008 38
BOWDERS J. J., LOEHR J. E., NEUPANE D., y BOUAZZA A. 2003. Construction quality control for asphalt concrete hydraulic barriers.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. Vol. 129. No. 3. p. 219-223 39
OCHOLA C. y MOO-YOUNG H. K. Evaluación de la atenuación de metal a través de la arcilla de papel utilizado para la contención de agua subterránea contaminada. 2004. Journal of EnvironmentalEngineering. Vol. 130. No. 8. p. 873-880. 40
FREMPONG E. M. y YANFUL E. K. Evaluación Geo-ambiental de dos suelos arcillosos tropicales para su uso como materiales de revestimiento de ingeniería. Waste Containment and Remediation (ASCE Geotechnical Special Publication No. 47). 2005
34
consideración del uso de barreras alternativas y materiales alternativos en una barrera se toma en cuenta normalmente cuando; (A) Por cuestiones de costo, (B) los materiales adecuados no son fácilmente disponibles, y / o (C) la preocupación por las consecuencias potenciales de un pobre rendimiento que superan lo normalmente requerido o exigido. En términos de cubiertas, el interés en el uso de cubiertas alternativas de tierra (AEFCs) con respecto a las cubiertas reguladas o prescritas (es decir, las cubiertas de compuestos o arcillas compactadas) ha ido ganando aceptación debido a los costes relativamente altos asociados típicamente con las cubiertas prescritas (aprox. 400.000 dólares / ha) y el fracaso de algunas cubiertas de construcción con arcilla compactada en regiones con climas secos (por ejemplo, debido a la desecación)41. Las cubiertas alternativas de barro son compuestas en su totalidad de tierra y son diseñadas con base en los principios del balance de agua para mejorar su rendimiento, tanto o no mejor que los homólogos prescritos y por lo general con una mayor durabilidad y/o de bajo costo. Como se muestra en la Figura 5, el concepto básico para una AEFCs es proporcionar una capacidad de almacenamiento de agua en el suelo dentro de la AEFC que sea mayor que la necesaria, para almacenar el agua cuando el componente de evotranspiración (ET) del balance de agua sea baja durante el invierno42. Una última cubierta alternativa de tierra es aquella adecuada para las regiones más secas, donde el potencial de evapotranspiración (PET) supera significativamente la precipitación (P) (es decir, PET>2P), sin embargo la AEFCS también pueden ser construida en climas más húmedos.
41
DWYER S. Alternative landfill covers pass the test. Civil Engineering. 2007 Vol. 68. NO. 9. Pág. 30-52. 42
KHIRE M. V., BENSON C. H. y BOSSCHER P. J. Capillary barriers: Design variables and water balance. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2010. Vol. 126. No. 8. Pág. 695-708
35
Figura 5. Concepto de capacidad de almacenamiento de agua en el suelo en cubiertas alternativas de barro
Fuente: KHIRE M. V., BENSON C. H. y BOSSCHER P. J. Capillary barriers: Design variables and water balance. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2002.
Aunque existe una gran variedad de conceptos de diseño y terminología para las AEFCS, los dos tipos más comunes de estas cubiertas son las monolíticas43 y las de cubierta de barrera capilar44. Como se ilustra conceptualmente en la Figura 6, las cubiertas monolíticas o CM (también conocidas como monocovers, cubiertas de almacenamiento y liberación, cubiertas tierra-planta, cubiertas evapotranspirantes o phytocovers) consisten en una relativamente gruesa capa simple de suelo comparativamente fina, y con una gran capacidad de almacenamiento de agua. Por otro lado, las cubiertas de barrera capilar (CBC) son un sistema de dos capas que consiste en un suelo de textura relativamente fina que recubre un suelo de textura relativamente gruesa (Figura 6). Una CBC se basa en el concepto de la ruptura capilar que se produce entre el suelo de textura más fina y el suelo de textura más gruesa bajo las condiciones de un suelo insaturado.
43
ALBRIGHT et al. Op cit. 2004. 44
SPONZA D. T., y AGDAD O. N. Impact of leachate recirculation and recirculation volume on stabilization of municipal solid wastesin simulated anaerobic bioreactors. Process Biochemistry. 2004. Vol. 39. No. 12.Pág.2157-2165
SWS
ET
Capacidad de almacenamiento de agua en el suelo
Alm
acenam
iento
de a
gua e
n e
l
suelo
(S
WS
)
EvoT
ranspiració
n (
ET
)
Verano Invierno Verano Invierno Verano Estación
36
Figura 6. Corte de sección de dos de las principales cubiertas alternativas de tierra fina
Fuente: SPONZA D. T., y AGDAD O. N. Impact of leachate recirculation and recirculation volume on stabilization of municipal solid wastesin simulated anaerobic bioreactors. Process Biochemistry. 2004.
Para la CBC, siempre que la succión en la interfaz de las dos capas () sea mayor que la succión en la intersección de las curvas de la conductividad hidráulica en
comparación con la succión del suelo para los dos terrenos (es decir, >I), la conductividad hidráulica insaturada en el suelo de textura más gruesa será más baja que el del suelo de textura más fina de tal manera que se impide el flujo de la infiltración de agua en el suelo de textura más gruesa. La falla en una CBC se producirá cuando la succión del suelo en la interfaz entre las capas alcanza un valor correspondiente a la curva cerrada en la curva característica de agua del suelo (SWCC) del más grueso cerca del contenido de agua residual45. Así, una CBC generalmente se considera verosímil sólo en regiones con precipitaciones relativamente pequeñas, como en climas áridos y semiáridos. Sin embargo, incluso en las regiones áridas y semiáridas, es necesario prever un drenaje lateral adecuado para la infiltración de agua y minimizar la posibilidad de saturación de la capa más fina, sobre todo cuando la capa más fina es relativamente delgada.
45
KHIRE et al. Op cit. 2010.
Parte superior
Parte superior
Capa de Suelo
de Grano Fino
Capa de
Suelo Fino
Cubierta Interina
Cubierta Interina
Capa de Suelo más
gruesa
Cubierta Monolítica
Barrera Capilar
Suelo Fino
Log.
Conductivid
ad H
idra
úlic
a (
k)
Suelo Grueso
Log. Succión del Suelo ()
37
Las ventajas del AEFCs tales como la CM y la CBCS con respecto a los sistemas más tradicionales, referente a cubiertas con una o más capas resistivas con conductividades hidráulicas de baja saturación son las siguientes: a. Las AEFCs típicamente son menos susceptibles a la desecación y
agrietamiento desde donde se pueden construir usando suelos relativamente no-plásticos [por ejemplo, limos de baja plasticidad (ML) y/o arenas limosas de baja plasticidad (SM)];
b. Las AEFCs son relativamente simples de construir ya que su alta capacidad de almacenamiento de agua en el suelo es más importante que el uso de la compactación pesada para lograr una baja conductividad hidráulica saturada;
c. Las AEFCs son más económicas ya que se pueden construir usando una amplia gama de tipos de suelo, por lo general dentro de la misma localidad del sitio en construcción, y
d. Las AEFCS requieren un mantenimiento relativamente bajo después del cierre. La principal ventaja de una CBC con respecto a una CM es que la ruptura capilar en una CBC esencialmente aumenta la capacidad de almacenamiento de agua del suelo de la textura más fina que recubre el suelo a la que existiría en el caso de una CM. Sin embargo, debido a la exigencia de las dos, las capas de suelo en contraste en una CBC, estas son a menudo más costosas que los MC. Consideraciones para el diseño de AEFCs se pueden encontrar en Parent y Cabral46. El requisito clave para la aceptación de una AEFC está en el rendimiento mínimo equivalente al de un sistema de cubierta prescrito. Por ejemplo, la EPA de los EE.UU. está llevando a cabo una evaluación del desempeño de las AEFCs en relación con la de las cubiertas prescritas a través del Programa de Evaluación de la cubierta alternativa, o ACAP47. El ACAP consiste en el seguimiento de aquellas cubiertas grandes (10 x 20 m), totalmente instrumentadas con lisímetros de drenaje con secciones que representan las cubiertas convencionales que emplean barreras resistivas o tapas alternativas (CMs y CBCs) construidas en 11 sitios de campo en los Estados Unidos. Las localizaciones de los sitios de campo, incluye climas secos y húmedos, así como climas cálidos y fríos. Basándose en la relación de precipitación (P) a la evapotranspiración potencial (PET). 5.3 BARRERAS Y MATERIALES INNOVADORES Las barreras y los materiales innovadores de barrera se distinguen de las barreras alternativas y los materiales de contención normales en que los primeros se
46
PARENT S.E., y CABRAL A. Material selection for the design ofinclined covers with capillary barrier effect. Waste Containmentand Remediation (ASCE Geotechnical Special Publication No. 47). 2005. 47
ALBRIGHT et al. Op cit. 2004.
38
encuentran todavía en la etapa fundamental de investigación y desarrollo, mientras que los segundos están en la fase de demostración para la aprobación de los entes reguladores para su aplicación. El objetivo en el desarrollo de las barreras y materiales de contención innovadoras es producir una barrera que sea más eficiente y/o menos costosa que las barreras existentes. La mejora de la eficiencia en este caso se refiere a un mejor desempeño en términos de contención o la sostenibilidad de la contención. Aunque hay una amplia variedad de posibles barreras y materiales de contención innovadoras (por ejemplo, ver Lo48 y, Kaya y Durukan49), el foco de la presentación actual se limita a dos tipos de barreras y materiales de contención innovadoras, a saber. (1) barreras de membrana de arcilla, y (2) nanocompuestos de polímero de arcilla. 5.3.1 Barreras de membrana de Arcilla. Una parte importante de la investigación reciente se ha centrado en los beneficios potenciales derivados de la existencia de un comportamiento semi-permeable en bentonitas y/o materiales de contención a base de bentonita50. La existencia de un comportamiento de membrana en la arcilla es evidente por el paso restringido de solutos, así como por la ósmosis, o el movimiento de líquido desde una menor concentración de soluto (mayor actividad de agua) a una concentración de soluto mayor (menor actividad de agua). El movimiento restringido de las cargas de soluto (iones) a través de los poros de un suelo de arcilla se atribuye a la repulsión electrostática de los iones de campos eléctricos asociados con las capas de iones adsorbidas (comúnmente conocida como capas dobles difusas o DDL) de las partículas de arcilla adyacentes. Los solutos neutros o no cargados, tales como algunos compuestos orgánicos miscibles acuosos compuestos de cadenas largas de carbono, están restringidos a los casos en los que el tamaño de las especies de soluto es mayor que el tamaño del poro disponible para la migración. El comportamiento de la membrana de arcilla se cuantifica en términos de un
coeficiente de eficiencia osmótico-químico, también conocido comúnmente como
un coeficiente de reflexión, σ. El valor de para un suelo de arcilla que no
presenta restricción de soluto es cero (= 0), correspondiente a cero eficiencia de
la membrana, mientras que el valor de para un suelo de arcilla que exhibe
restricción de soluto completa es de uno (= 1), correspondiente al 100 por ciento
de eficiencia de la membrana. En general, los valores de para suelos de arcilla de origen natural que exhiben comportamientosnormales de membrana se
encuentra entre cero y uno (es decir, 0 <<1) y sus diferencias se deben a la variación de tamaños de poros que existen entre suelos. Las membranas que son
48
LO I. M.C. Innovative waste containment barriers for subsurface pollution control. Practice Periodical of Hazardous, Toxic, and Radioactive Waste Management. 2003. Vol. 7. No. 1., p. 37-45. 49
KAYA A. y DURUKAN S. Utilization of bentonite-embedded zeolite as clay liner. Applied Clay Science.2004. Vol. 25. No. 1-2. Pág. 83-91. 50
YEO S.S., SHACKELFORD C.D., y EVANS J. C. Membrane behavior of model soil-bentonite backfills. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2005. Vol. 131. No. 4.
39
100 por ciento eficientes se denominan membranas "perfectas" o "ideales". Todos los materiales que exhiben un comportamiento de membrana intermedios se denominan "membranas semi-permeables", ya que todas las membranas son permeables al disolvente (agua), independientemente de la eficiencia de la restricción de soluto. El comportamiento de la membrana de arcilla es una función de varios factores mecánicos, físicos, y químicos, incluyendo las propiedades de tensión-deformación de la arcilla, el contorno y las concentraciones iniciales de sal, los tipos de especies de soluto (iones), y la mineralogía del suelo51. En general, el potencial para la existencia de un crecimiento en el comportamiento de la membrana se debe a (a) un incremento en la presión (disminución de la porosidad), o (b) un aumento en el contenido de minerales de arcilla de alta actividad, particularmente montmorillonita de sodio, y (c) una disminución en la concentración de sal en el agua de los poros52. Tres mecanismos contribuyen a los beneficiosos resultados en el comportamiento de la membrana en las barreras de arcilla, a saber, (1), hiperfiltración (2) el flujo químico-osmótico, y (3) el transporte difuso de masa reducida53. El flujo hiperfiltrado representa el tradicional término de transporte efectivo que se reduce
por un factor de (1 - ), el cual es debido al comportamiento de la membrana de
tierra en términos físicos, el factor (1 -. ) se considera que representa el proceso de hiperfiltración mediante el cual los solutos son filtrados fuera de la solución cuando la solución pasa a través de la membrana bajo un gradiente hidráulico aplicado. Los resultados del flujo osmótico -químicodesde el establecimiento de un gradiente de concentración a través de la barrera debido a la restricción del soluto tal que el agua fluye en la dirección donde exista mayor concentración de soluto (es decir, la disminución de la actividad del agua). Para los escenarios típicos de barreras de contención, el flujo osmótico-químico sería dirigido hacia el lado del contenedor donde se reduce el flujo neto hacia el exterior de los contaminantes. Los resultados difusivos del transporte de masa disminuye el coeficiente efectivo
de difusión de soluto, D*, con el aumento de de tal manera que cuando éste tiende a 1, D* tiende a 0, es decir, ningún soluto puede migrar a través de una
membrana semi-permeable ideal (= 1)54. La importancia potencial del comportamiento de la membrana se ilustra en la Figura 7, donde la relación del flujo de masa de soluto en el estado estable a
51
SHACKELFORD C. D, BENSON C. H., KATSUMI T., EDIL T. B., y LIN, L. Evaluating the hydraulic conductivity of GCLs permeated with non-standard liquids, Geotextiles and Geomembranes, Elsevier, Amsterdam. 2011. Vo.18. No. 2-4. Pág. 133-161 52
Idem 53
MALUSIS M. A., y SHACKELFORD C. D. La predicción de flujo de soluto a través de una barrera de membrana arcilla. Journal of Geotechnical and GeoenvironmentalEngineering. 2010. Vol. 130. No. 5. Pág. 477-487. 54
Idem
40
través de una barrera de arcilla de 1 m de espesor que se comporta como una membrana semipermeable (Jm) a la que existe para el comportamiento no-
membrana (Jnm) es presentado como una función de y el gradiente hidráulico (i). Los resultados que se muestran en la figurase basan en simulaciones utilizando un modelo de transporte de solutos acoplado y los valores medidos para
D * y como los describe Malusis55 y Malusis y Shackelford56. Como se muestra
en la figura, en la ausencia de comportamiento de la membrana, = 0 tal que Jm = Jnm. Figura 7. Efecto del comportamiento de la membrana de flujo de masa de soluto en estado estable a través de una barrera de arcilla de 1 m de espesor
Fuente: MALUSIS M. A., y SHACKELFORD C. D. La predicción de flujo de soluto a través de una barrera de membrana arcilla. Journal of Geotechnical and GeoenvironmentalEngineering. 2010.
Sin embargo, como el comportamiento de la membrana se vuelve más significativo
(es decir, en la medida que aumenta ), el flujo de masa de soluto que sale de la barrera se reduce cada vez más de tal manera que Jm<Jnm. Por ejemplo, a una
eficiencia de la membrana de 60% (= 0,6), la salida de flujo de masa de soluto en el estado estacionario es sólo alrededor del 30% de la que existiría en ausencia de
comportamiento de la membrana (es decir, Jm / Jnm0.3). En el límite, tal que tienda a 1, Jm / Jnmtiende a 0, ya que, por definición, no puede haber un transporte de masa de soluto a través de una membrana ideal o perfecta. Los resultados para los dos casos en los que se aplica un gradiente hidráulico (es decir, i = 10 e i = 100) son esencialmente los mismos que los resultados para el
55
MALUSIS M. A. Comportamiento de membrana y transporte de solutos Junto a través de una línea de geosintéticos de arcilla. Tesis Doctoral. Colorado State University. Fort Collins. Colorado, USA. 2009 56
MALUSIS et al. Op cit. 2010
i = 0
i = 10
i = 100
Extrapolación por definición
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
Razón d
el flu
jo d
e s
alid
a d
el solu
to
en e
sta
do e
sta
b le J
m/J
nm
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Coeficiente de eficiencia osmótico-químico,
41
caso de difusión pura (i = 0) ya que el transporte a través de la barrera es controlada por difusión debido a la muy baja conductividad hidráulica del material
de la barrera (k 10-9 cm/s). Como resultado de ello, los mecanismos del comportamiento de membranas de hiperfiltración y osmótico-química son esencialmente insignificantes en este caso. El comportamiento de la membrana en bentonita de sodio es fortuito entre varios tipos de barreras de contención geoambientales que utilizan cualquiera de estas situaciones, sea de bentonita de sodio, tales como revestimientos geosintéticos de arcilla (GCL), o mezclas de suelo que contienen bentonita de sodio, tales como revestimientos de arena-bentonita compactada y (tierra-bentonita SB) en paredes verticales de corte. Por lo tanto, el potencial para el comportamiento de la membrana que resulta de la presencia en los materiales de contención de bentonita de sodio es alto57. Por ejemplo, considere los resultados de la
57
SHACKELFORD. Op cit. 2011
42
Figura 8, para dos modelosde relleno con mezclas de tierra-bentonita (SB) consistentes con los utilizados habitualmente en paredes verticales de corte. La tierra de base para los rellenos consiste en arcilla natural con el 89% (m/m), baja plasticidad (IP = 14,5) y una mezcla de arena con 5% (m/m), bentonita de sodio seco (IP = 454). Las muestras de ambos suelos de la base se mezclan con una cantidad suficiente, del 5% (w/w) de suspensión de bentonita de sodio-agua para que corresponda a una caída de 100 mm de acuerdo con la práctica estándar para paredes verticales de corte. El comportamiento de la membrana se evaluó
mediante la medición de la resultante de mantener a 3,88 mM una
concentración de KCl a través de la muestra. Cuando la llega a estado estacionario se logró en la muestra una relación de vacío inicial (e), al comprimir la muestra nuevamente, se obtuvieron niveles más bajos del vacío hasta que se
alcanzó un nuevo estado estacionario de . Este procedimiento se repitió de
manera tal que se logró un total de tres valores que se registran para cada mezcla de relleno SB.
43
Figura 8. Tendencia temporal en la eficiencia osmótico-químicacomo función de la razón de vacío (e) para dos rellenos de tierra-bentonita
Fuente: YEO S.S., SHACKELFORD C.D., y EVANS J. C. Membrane behavior of model soil-bentonite backfills. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2003.
Los resultados en la
-c = 3.88 mMKCl cave = 1.94 mMKCl
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
Coeficie
nte
de e
ficie
ncia
osm
ótico
-quím
ico,
Mezcla para Relleno de Arcilla
e = 1.01
0 5 10 15 20
Tiempo (días)
e = 0.805 e = 0.605
0 5 10 15 20
Tiempo (días)
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
Coeficie
nte
de e
ficie
ncia
osm
ótico
-quím
ico,
Mezcla para Relleno arena-bentónita
-c = 3.88 mMKCl cave = 1.94 mMKCl
e = 1.21 e = 1.01 e = 0.812
44
Figura 8 indican que ambos rellenos actúan como membranas, con que van ente 0,018 y 0,024 para la mezcla de relleno de arcilla natural y desde 0,118 hasta
0,166 para la mezcla de relleno de arena - bentonita. Los valores más altos para la mezcla de relleno de arena - bentonita ilustran la importancia de la composición de minerales entre la porción de arcilla en las mezclas de relleno. Además, el
comportamiento de más altos en la membrana (superior) se correlaciona con un menor índice de vacíos (mayor esfuerzo de consolidación), como se esperaba. 5.3.2 Nanocompuestos de polímero de arcilla. Los Nanocompuestos de polímero de arcillase refieren específicamente a la arcilla con silicatos estratificados, estos se están utilizando en una variedad de industrias debido a las propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas de nivel superior en relación con el polímero solo. Por ejemplo, los nanocompuestos de polímero de arcilla han sido utilizados como contenedores debido a los menores coeficientes de difusión gaseosa, como parachoques y cuadros de mando en la industria del automóvil debido a una mayor resistencia y ductilidad, y en la industria electrónica y de equipos debido a las propiedades térmicas y eléctricas superiores58. En general, los nanocompuestos de polímero-arcilla consisten en materiales plásticos que contienen una pequeña fracción de silicatos estratificados (por lo general menos de un pequeño tanto por ciento en peso) dispersas en la matriz polimérica. Los materiales compuestos resultantes se denominan nanocompuestos debido a que el cambio en la composición y la estructura resultante de la adición de los silicatos estratificados dispersos se produce sobre una longitud en la escala nanométrica. Tales nanocompuestos de polímero-arcilla se han formado utilizando una amplia gama de polímeros, incluyendo epoxi, poliuretano, polipropileno, poliamida, poliestireno, caucho (nitrilo), poli (-caprolactona), y polisiloxano59. Los nanocompuestos de polímero-arcilla se forman mediante la dispersión o "mezcla" de capas de minerales de silicato de arcilla, principalmente las esmectitas, dentro de una matriz de polímero. Sin embargo, la dispersión de silicatos en capas como monocapas separadas en polímeros no se lleva a cabo fácilmente por dos razones. En primer lugar, silicatos laminares tienden a preferir una cara-a-cara de apilamiento que los resultados en tactoides aglomerados que no son fácilmente separables. En segundo lugar, la naturaleza hidrófila de los silicatos estratificados es intrínsecamente incompatible con la hidrofobicidad inherente de los polímeros utilizados en aplicaciones de ingeniería. Estas dificultades se pueden superar por conversión directa de los silicatos estratificados
58
KORNMANN X., BERGLUND L. A., y STERTE J. Nanocompuestos basados en poliéster montmorillonita e insaturados. Polymer Engineering and Science. 2008. Vol. 38. No. 8. p. 1351-1358 59
LEBARON P. C., WANG Z. y PINNAVAIA T. J. Polímero capas de silicato de nanocompuestos: Una visión general. 2009. Applied Clay Science. Vol. 15. No. 1-2. p. 11-29
45
en arcillas orgánicas mediante la sustitución de los cationes de intercambio inorgánicos en las capas intermedias o galerías de la arcilla nativa con agentes tensioactivos de alquilamonio o iones de amonio cuaternario (es decir, los iones de onio). El grado de esta conversión y la medida en que la sustitución tiene éxito en la separación de los silicatos estratificados en los resultados de monocapas separadas en tres tipos de nanocompuestos de polímero-silicato en capas, como se ilustra esquemáticamente en la Figura 9. Los compuestos convencionales de polímero-arcilla se forman mediante la mezcla en capas de polvo de origen natural (es decir, no convertido) de silicatos, por lo general montmorillonita en forma de bentonita, con un polímero líquido. Los compuestos resultantes contienen tactoides agregados en nanocapas que normalmente mejoran la rigidez, pero a menudo carecen de una mejora suficiente en la resistencia, alargamiento y tenacidad (ver Figura 9). Los nanocompuestos se conocen como compuestos intercalados si el reemplazo de los cationes inorgánicos intercambiables con agentes tensoactivos de alquilamonio resultan en capas que persisten con un patrón de repetición de apilamiento de tal manera que las alturas de capa intermedia o de la galería son menos de dos veces la longitud de la cadena de iones. Figura 9. Ilustraciones esquemáticas de diferentes tipos de composiciones de nanocompuestos
Fuente: LEBARON P. C., WANG Z. y PINNAVAIA T. J. Polímero capas de silicato de nanocompuestos: Una visión general. 2009. Applied Clay Science. .
En este caso, las regiones del compuesto consistirán en concentraciones muy altas y muy bajas de refuerzo (véase la Figura 9). Para los verdaderos nanocompuestos, las nanocapas de arcilla deben ser uniformemente dispersadas o exfoliadas como monocapas existentes dentro de la matriz de polímero de
Compuesto Convencional Nanocompuesto intercalado
Nanocompuesto exfoliado ordenado
Nanocompuesto exfoliado desordenado
46
manera uniforme. Tales nanocompuestos ideales se forman en la polimerización sólo cuando las capas de arcilla son forzadas a separarse y ya no interactúan a través de las cadenas de iones. La diferencia entre los nanocompuestos exfoliados ordenados y desordenados se ilustra en la Figura 9 y es que el primero puede ser detectado por difracción de rayos X y el último es amorfo a los rayos X60. Como se mencionó anteriormente, los nanocompuestos de polímero-arcilla poseen propiedades de ingeniería que típicamente se mejoran sustancialmente con respecto a las propiedades del polímero solo. Por ejemplo, considere los datos de esfuerzo-deformación que se muestran en la Figura 10 de un polietileno de baja densidad lineal (LLDPE, MI = 2,0 g/10 min, densidad = 0,926 g/cc) y nanocompuestos de polímero-arcilla comprimidos de dimetilbis (sebo hidrogenado), amonio montmorillonita [M2 (HT) 2] dispersado en el LLDPE en diferentes (MMT) contenidos de montmorillonita en peso seco. La adición de sólo el 2,5% de MMT como la arcilla orgánica mejora la resistencia del LLDPE en casi un 50%, mientras que tan solo un 6,9% de MMT da casi el doble de la fuerza del LLDPE. Figura 10. Las curvas de esfuerzo-deformación para polietileno lineal de baja densidad (LLDPE) y nanocompuestos de LLDPE-arcilla orgánica con diferentes porcentajes en peso de montmorillonita (MMT).
Fuente: HOTTA S. y PAUL D. R. Nanocompuestos formados de polietileno lineal de baja densidad y arcillas orgánicas. Polymer. 2004.
Otro efecto resultante de dispersión de silicatos en capas es una disminución significativa en la permeabilidad al gas con respecto a la del polímero. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 11, la permeabilidad de LLDPE al oxígeno
60
LEBARON et al. Op cit. 2009
20
15
10
5
0
Esfu
erz
o (
MP
a)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Deformación (%)
LLDPE
2.5 % MMT
4.6 % MMT
6.9 % MMT
47
(O2), nitrógeno (N2) y dióxido de carbono (CO2) se reduce significativamente con el aumento de contenido de MMT en la forma de la M2(HT)2 arcilla orgánica dispersa en el LLDPE. La reducción de la permeabilidad a los gases se atribuye al aumento de la tortuosidad de la migración de gas a través del polímero debido a la presencia de las monocapas exfoliadas de los silicatos en capas, como se ilustra esquemáticamente en la Figura 1261. Figura 11. La permeabilidad relativa de oxígeno, nitrógeno y gases de dióxido de
carbono para las películas de nanocompuestos de arcilla orgánica 150-m de espesor con diferentes contenidos de montmorillonita a 35 oC
Fuente: HOTTA S. y PAUL D. R. Nanocompuestos formados de polietileno lineal de baja densidad y arcillas orgánicas. Polymer. 2004.
Figura 12. Modelo esquemático de la vía tortuosa de difusión de gas a través de un nanocompuesto de polímero-arcilla exfoliada
Fuente: LEBARON P. C., WANG Z. y PINNAVAIA T. J. Polímero capas de silicato de nanocompuestos: Una visión general. 2009. Applied Clay Science.
61
LEBARON et al. Op cit. 2009
Perm
eabili
dad r
ela
tiva d
el gas P
/P
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Montmorillonita (MMT) –contenido (% en peso seco)
O2
N2
CO2
48
5.4 NUEVAS FORMAS DE RESIDUOS La principal preocupación de los residuos en los últimos 25 años incluye las soluciones químicas inorgánicas que contienen metales pesados y tóxicos (por ejemplo, Cd, Pb, Zn), tales como los derivados del drenaje de ácidos en las minas (AMD), líquidos en fase no acuosa que son más ligeros que el agua (LNAPL), tales como los compuestos BTEX (es decir, benceno, tolueno, etilbenceno y xileno), o más densos que el agua (DNAPLs), tales como los hidrocarburos clorados (por ejemplo, tetracloroetileno, tricloroetileno), y los desechos radiactivos62. En la gran mayoría de los casos, las propiedades y características requeridas para evaluar el destino y la movilidad de estas soluciones y los compuestos son relativamente bien conocidas, aunque su existencia en mezclas (por ejemplo, lixiviados de residuos sólidos) a menudo complica la imagen. Sin embargo, algunas formas de residuos sólo recientemente han sido reconocidas, y las formas de residuos adicionales, sin duda, se encuentran nuevos que es probable que aparezcan en el futuro. Por lo tanto, otro de los temas potencialmente importantes que enfrenta la comunidad de ingeniería geotécnica es la cuestión de cómo hacer frente a las nuevas formas de residuos que han sido recientemente reconocidos o aparecerán en el futuro. Dos ejemplos principales de formas de residuos emergentes incluyen los derivados de ambos, animales vivos y muertos, y los resultantes de los avances tecnológicos, como el reciente auge de la industria de la nanotecnología. 5.4.1 Residuos de animales vivos. En los últimos 20 años, la ganadería ha evolucionado para satisfacer las necesidades de una población en rápido crecimiento. Una tendencia evolutiva en algunos países como los Estados Unidos es la sustitución de las pequeñas y medianas explotaciones ganaderas con las operaciones de alimentación industrial a gran escala mediante concentrados (CAFO). Una mezcla diversa de las sustancias químicas y microbianas es parte de la corriente de desechos animales en las CAFO típicas. Gran parte de los residuos que se producen en estas operaciones es ecológicamente benigna como materia orgánica que puede ser asimilada durante el proceso de digestión anaerobia. Sin embargo, varias clases de sustancias son de interés para la industria y la comunidad regulatoria, incluyendo nutrientes (por ejemplo, nitrógeno), patógenos (por ejemplo, la bacteria E. coli) y productos farmacéuticos (por ejemplo, antibióticos). La aparición, el destino y el transporte de estas sustancias son igualmente de gran interés para la industria, la comunidad investigadora y entidades regulatorios. Como resultado de la necesidad de proteger el medio ambiente de estas sustancias, los desechos animales de las CAFO que involucran ganado vacuno, porcino y aves de corral se suelen almacenar en lagunas anaeróbicas o tanques
62
SHACKELFORD. Op cit. 2000
49
de almacenamiento que normalmente están alineados con un máximo de 0,91 m de una capa de arcilla compactada de baja permeabilidad (CCL). En el contexto de estos sistemas de contención de residuos animales, nutrientes tales como el nitrógeno y patógenos han sido ampliamente estudiados (por ejemplo, Reddi y Dávalos63), principalmente debido a que ambos de estos contaminantes típicamente se encuentran en concentraciones relativamente altas en los desechos animales. Sin embargo, debido al uso cada vez más intensivo de antibióticos en la gestión de las CAFO, principalmente para la promoción del crecimiento, existe el potencial para el transporte de estos compuestos y sus metabolitos en las aguas superficiales y subterráneas. Por ejemplo, la mitad de los 22,7 millones de kilogramos de antibióticos producidos cada año en los Estados Unidos se utiliza para la agricultura, y 90% de estos antibióticos se utilizan para estimular el crecimiento. Algunos de los medicamentos están completamente metabolizados a compuestos inactivos, pero muchos se excretan en forma de metabolitos activos. Como resultado, recientemente varios estudios se han llevado a cabo para cuantificar la ocurrencia de estos compuestos en los residuos animales y el posterior transporte a las aguas superficiales y subterráneas64. Por ejemplo, se han encontrado varias clases de antibióticos (por ejemplo, tetraciclina, sulfonamidas, beta-lactámicos y macrólidos) presentes en las lagunas de residuos de cerdos en concentraciones tan altas del orden de 0.7 mg / L65. Los antibióticos también han sido detectados en los pozos cerca de lagunas de desechos de cerdo que indican que los compuestos están siendo transportados a través de los revestimientos de arcilla y a través de la sub-superficie66. Por último, Meyer et al.67 utilizaron un radioinmuno ensayo disponible comercialmente para analizar 52 muestras de residuos líquidos obtenidos a partir de 13 lagunas de residuos de cerdos en tres lugares diferentes. Además, las muestras se analizaron a partir de tomas en superficie y en zonas de aguas subterráneas asociadas con la producción porcina intensiva y de producción de aves de corral en otros siete
63
REDDI L. N. y DAVALOS H. Animal waste containment in anaerobic lagoons lined with compacted clays. Journal of Geotechnical and GeoenvironmentalEngineering. 2010. Vol. 126. No. 3. p. 257-264 64
MEYER M. T., BUMGARNER J. E., VARNS, J. L., DAUGHTRIDGE J. V., THURMAN E. M., HOSTETLER K. A. El uso de radioinmunoensayo como pantalla para los antibióticos en las operaciones de alimentación de animales confinados y confirmación mediante cromatografía líquida / espectrometría de masas. Science of the Total Environment. 2010. Vol. 248. No. 2. p. 181-187 65
MEYER M. T., BUMGARNER J. E., DAUGHTRIDGE J. V., KOLPIN D., THURMAN E. M., HOSTETLER K. A. La aparición de los antibióticos en los desechos líquidos en operaciones de alimentación de animales confinados y en aguas superficiales y subterráneas. Proceedings, Effects of Animal Feeding Operations on Water Resources and the Environment.U.S. Geological Survey. 2009. 45 p 66
Ibid. 67
MEYER et al. 2010. Op cit.
50
lugares. Las pruebas arrojaron resultados positivos para los antibióticos de tetraciclina en 13 muestras de las lagunas de cerdo con resultados que van desde aproximadamente 5 a varios cientos de ppm en los residuos líquidos. Todos menos dos de las 52 muestras dieron negativos en las muestras de agua subterránea, y estas dos muestras contenían concentraciones de antibiótico tetraciclina en menos de 1 ppm. La presencia de antibióticos en la corriente de desechos animales se confirmó, pero el transporte de estos antibióticos a través de las membranas de contención de los contenedores de residuos de animales, como la CCL y GCL, no se ha estudiado. Por lo tanto, el problema de la movilidad y el destino de estos antibióticos durante la migración a través de los sistemas de contención, y la eficacia resultante de tales sistemas de contención sigue siendo un problema medioambiental que los ingenieros geotécnicos tendrán que abordar. 5.4.2 Residuos de animales muertos. La relativamente reciente aparición de una amplia variedad de enfermedades de transmisión animal, como la gripe aviar, la enfermedad de las vacas locas (MCD), caquexia crónica (CWD), la enfermedad de Newcastle (ND) y el Síndrome Respiratorio Agudo Severo (SARS), ha suscitado una preocupación creciente con respecto a la posible transmisión de estas enfermedades a los seres humanos y los efectos potencialmente nocivos resultantes. Tanto MCD (o encefalopatía espongiforme bovina, EEB) y la caquexia crónica (que afecta a los ciervos y alces) pertenecen a un grupo de enfermedades conocidas como encefalopatías espongiformes transmisibles (EET) Otros EET incluyen la tembladera de las ovejas domésticas, la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob (ECJ) de los seres humanos y una nueva variante de la ECJ (llamada nueva variante de Creutzfeldt-Jakob enfermedades o nvECJ), que probablemente está relacixonado con el agente de la EEB. Las enfermedades EET se caracterizan típicamente como enfermedades del cerebro donde se desarrollan pequeños agujeros en los cerebros de los animales que eventualmente se convierten en un aspecto parecido a una esponja con grandes agujeros. El proceso resulta en la pérdida del control motor, demencia, pérdida de masa, parálisis y finalmente la muerte. Además de la ECJ, los seres humanos también son susceptibles a varias otras EET, incluidas GSS (Gerstmann-Straussler-Scheinker síndrome de Down), FFI (insomnio familiar fatal), Kuru, y el síndrome de Alpers, y docenas de personas en Inglaterra se cree que han contraído la forma humana de la EEB (es decir, nvCJD) por el consumo de la carne de ganado infectado. Aunque la incidencia de las EET en humanos se cree actualmente que baja, el tiempo relativamente largo de mortalidad asociada con las enfermedades, que son del orden de 10 o más años desde el momento de la infección, y el hecho de que actualmente no hay un tratamiento conocido para esta enfermedad, que siempre son fatales para las especies huéspedes susceptibles, son motivo de preocupación para el futuro.
51
Figura 13. Ejemplos de priones de ratón y hámster
Fuente: www.cyberdyne.com/%7Etom/mad_cow_disease.html
El principal culpable de causar las EET se cree que son los priones (pronunciado pree-ons), que pueden definirse como pequeñas partículas proteínicas infecciosas resistentes a la inactivación por procedimientos que modifican los ácidos nucleicos. Ejemplos de los priones de hámster y ratones se muestran en la Figura 13. Algunas enfermedades priónicas son de particular interés debido a que no sólo son infecciosas sino también hereditarias. Por lo tanto, la infección puede ser transmitida de generación en generación. Además, los priones son particularmente recalcitrantes y persistentes, y pueden sobrevivir después de ser cocidos al vapor, congelados, desinfectados, zapping con luz ultravioleta o bombardeados con rayos X68. Por lo tanto, los cadáveres de los animales enfermos dispuestos en vertederos representan una fuente de priones que con el tiempo pueden llegar a
68
GRADY D. With diseased animals, disposal isn’t simple. New York Times.2004.Enero6. New York, NY
52
las aguas superficiales y subterráneas si no se detiene correctamente. En consecuencia, los priones representan una forma emergente de residuos que deben caracterizarse según el destino y la movilidad con el fin de garantizar que los sistemas de contención de residuos sean eficaces en la protección de la salud humana y el medio ambiente del contagio o transmisión de las EET. 5.4.3 Derivados de Residuos de Tecnologías Nuevas. Un primer ejemplo de este tipo de residuos que está surgiendo es el relativo interés reciente en la nanotecnología, o la tecnología frente a escalas del orden de 1 a unos 100 nanómetros (1 nm = 10-9m). Una explosión de inventos y descubrimientos se ha producido recientemente en la nanotecnología en una serie de industrias, incluyendo las industrias de los alimentos69, químicos, médicos, electrónicos, e informáticos. Sin embargo, el advenimiento de la nanotecnología también ha planteado cuestiones sobre la posibilidad de consecuencias ambientales y de salud negativas en la producción concomitante de "nanoresiduos". Estos temas incluyen70: a. la toxicidad de las nanopartículas manufacturadas o nanofibras para los seres
humanos, animales, peces, y otros impactos ecológicos a las plantas y los cultivos;
b. la producción, el uso y destino de los nanomateriales a través del análisis del ciclo de vida;
c. el papel de los nanomateriales benignos liberados en el medio ambiente en términos de facilitar el transporte de contaminantes;
d. la biodegradabilidad y la persistencia de los nanomateriales; e. las fuentes potenciales para la liberación de los nanomateriales tóxicos en el
medio ambiente; f. la eficacia de los métodos existentes para el tratamiento y/o la eliminación de
los nanomateriales tóxicos del medio ambiente; y g. el uso intencional de los nanomateriales como armas en las operaciones
militares y terroristas 5.5 IMPORTANCIA DE LOS PROCESOS BIOLÓGICOS Otro problema ambiental de preocupación para los ingenieros geotécnicos es el reconocimiento de la creciente importancia de los procesos biológicos en los que se rige el funcionamiento de los sistemas de ingeniería geotécnica, como se describe en un reciente y exhaustivo estudio realizado por Mitchell y Santamarina71. Como se ha señalado por estos autores, los procesos biológicos,
69
DIONYSIOU D. D. Aplicaciones e implicaciones de la nanotecnología y los nanomateriales Ambientales. 2004. Journal of EnvironmentalEngineering. Vol. 131. No. 7. Pág. 723-724 70
Idem 71
MITCHELL J. K. y SANTAMARINA C. J. Consideraciones biológicas en ingeniería geotécnica. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2011. Vol. 131. No. 5.
53
en general, y los procesos microbiológicos, en particular, desempeñan un papel importante en el comportamiento del suelo, aunque el efecto de la actividad biológica sobre el comportamiento mecánico del suelo sigue siendo en gran parte poco explorado en la ingeniería geotécnica. Además de la función obvia de los procesos biológicos en la biorremediación, los procesos biológicos son también importantes en la solución de los Residuos Sólidos Urbanos (RSU), en los vertederos72, la obstrucción de los medios porosos, tales como los sistemas de eliminación73, la reducción de la conductividad hidráulica de los revestimientos de arcilla compactada74, y la gestión y operación de biorreactores en vertederos75. En cuanto a la biorremediación, el énfasis reciente se ha puesto en estimular bacterias autóctonas (bioestimulación) en suelos de baja permeabilidad contaminados con compuestos orgánicos que están sujetos a la biodegradación para conducir nutrientes en los suelos a través de elecrokinetics (EK) bajo campos eléctricos DC, así como el uso de bacterias reductoras de sulfato (SRB) en paredes permeables reactivas (PRWs) para el tratamiento in situ de drenaje de ácido de minas. Una breve descripción de algunas de estas aplicaciones se proporciona para ilustrar la importancia de los procesos biológicos en aplicaciones ambientales de Ingeniería Geotécnica y algunos problemas derivados. 5.5.1 Vertedero Birreactor. Los vertederos biorreactores pueden definirse como aquellos vertederos que son operados para mejorar el grado y la velocidad de descomposición de los residuos mediante la adición de agua y la recirculación de los lixiviados. La adición de agua y lixiviado recirculado estimula la actividad microbiana, proporcionando un mejor contacto entre los sustratos insolubles, solubles, nutrientes y microorganismos76. Los vertederos biorreactores tienen varias ventajas potenciales en relación con los vertederos convencionales77: a. el riesgo a largo plazo como resultado de la persistencia de la generación de
lixiviados y gases en rellenos sanitarios convencionales se reduce; b. la mayor descomposición en vertederos biorreactores aumenta la velocidad de
la solución de MSW proporcionando de este modo volumen de almacenamiento adicional al tiempo que reduce el uso total de la tierra de los
72
PARK H. I., LEE S. R., y DO N. M. Evaluación del efecto de la descomposición en la predicción de solución a largo plazo para nuevos vertederos de residuos sólidos urbanos. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. Vol. 128. No. 2. Pág. 107-118. 73
FLEMING I. R., ROWE R. K., y CULLIMORE D. R. Las observaciones de campo de la obstrucción en un sistema de recogida de lixiviados de vertedero. Canadian Geotechnical Journal. Vol. 36. No. 4. Pág. 685-707 74
KAMON M., ZHANG H., KATSUMI T., y SAWA N. Effecton Redox la conductividad hidráulica del revestimiento de arcilla. 2008. Soils and Foundations. Vol. 42. No. 6. Pág. 79-91. 75
REINHART D. R., MCCREANOR P. T., y TOWNSEND T. El relleno biorreactor: Su situación y el futuro. 2008. Waste Management & Research. Vol. 20. No. 2. Pág. 172-186. 76
BARLAZ M., A. HAM R. y SCHAEFER D. La producción de metano a partir municipal desperdicios de una revisión de las técnicas de mejora y la dinámica microbiana. Critical Reviews in Environmental Control. 2000. Vol. 19. No. 6. p. 557-584. 77
BENSON y EDIL. Op cit. 2004
54
vertederos, así como el potencial de daños a largo plazo inducida por la solución de la cubierta final;
c. la viabilidad de las opciones de gas-energía se mejora debido al aumento en la tasa de producción de gas en el vertedero; y
d. la reducción de los costes de tratamiento de lixiviados es posible con la recirculación de lixiviados.
Con respecto a (1), se utilizan recubrimientos finales en los vertederos tradicionales, por definición, para reducir al mínimo la entrada de humedad en los residuos que es esencial para la biodegradación. Por consiguiente, los residuos en un vertedero tradicional están contenidos o enterrados y permanecen prácticamente intactos durante largos períodos de tiempo, posiblemente en exceso de la vida de diseño incluyendo el período de seguimiento posterior al cierre del sistema de contención78. Por lo tanto, lo que acelera el proceso de biodegradación de residuos mediante la recirculación de aguas, lixiviados, y/u otras modificaciones (por ejemplo, biosólidos, nutrientes) prevé más rápidamente la estabilización de los residuos y la reducción del riesgo a largo plazo asociado con la producción prolongada de lixiviados y de gas. Los elementos esenciales de los sistemas de contención de residuos necesarios para el funcionamiento de vertederos biorreactores incluyen79: (1) un sistema de recolección de lixiviado, (2) un revestimiento, (3) un sistema de recogida de gas, y (4) introducción controlada de humedad. El último elemento, a saber. Introducción controlada de humedad, ha sido reconocida como el factor más importante en la mejora de la descomposición de residuos en los vertederos80. En este sentido, la recirculación de lixiviados ha sido establecida como el enfoque más práctico para controlar el contenido de humedad de los residuos. Los métodos comunes para la recirculación de los lixiviados, como se muestra esquemáticamente en la Figura 14, incluyen: (a) pulverización, (b) acumulación de agua superficial y la infiltración, (c) los pozos horizontales en zanjas, y (d) los pozos verticales. El tipo de sistema de recirculación utilizado y el método correspondiente de operación son una función de la distribución de la humedad deseada, la capacidad de minimizar el impacto ambiental, y cumplimiento de la normativa81. Aunque el concepto de recirculación de lixiviados para mejorar la velocidad de la biodegradación de residuos ha sido de alrededor de aproximadamente 30 años, y el número de vertederos de recirculación de lixiviados en el mundo es cada vez mayor, el porcentaje de vertederos biorreactores con relación a los vertederos tradicionales ha permanecido relativamente constante en alrededor del 5 al 10%.
78
REINHART. Op cit. 2008 79
Idem 80
POHLAND F. G. Lixiviados de reciclaje como opción de gestión de vertederos. 1999. Journal of Environmental Engineering. Vol. 106. No. 6. p. 1057-1069 81
REINHART et al. Op cit. 2008
55
La renuencia a usar la tecnología de relleno sanitario tipo biorreactor puede atribuirse a varios factores, como la percepción de que la tecnología no está bien demostrada, obstáculos técnicos, la poca claridad sobre la parte financiera, y las limitaciones reglamentarias. Por ejemplo, aunque la normativa de vertederos en el mundo hace tiempo permite la recirculación de lixiviados en los vertederos forrados, la posibilidad de inyectar líquidos no generados en los vertederos sólo fue aprobada recientemente (marzo de 2010) y ha permitido a través de la regulación la Investigación, Desarrollo y Demostración [ID + D] sobre los vertederos82 (Tom, 2004). Algunos de los impedimentos técnicos incluyen las incertidumbres relativas a la captura de gases de en el vertedero, el tratamiento y el almacenamiento de los lixiviados, la reutilización de espacio en los vertederos y de capacidad, la reducción de gases de efecto invernadero, el diseño del biorreactor, la consideración de la densidad de los residuos sólidos, la determinación de los lixiviados versus la distribución de la humedad dentro de los desechos, la degradación, el tratamiento previo y la gestión de los residuos, los residuos de compresibilidad y liquidación, consideraciones de cubierta, y la gestión de modificaciones83. Figura 14. Enfoques para la aplicación de lixiviado recirculado en vertederos biorreactores
Fuente: REDDY y BOGNER. Op cit. 2005
82
TOM P. A. ID+D en ascenso; Industria de los residuos, el avance en la normatividad. Waste Age, October 2004. New York. p. 22-24 83
REINHART et al. Op cit. 2008
56
No obstante, el interés en la tecnología de relleno con biorreactor se ha incrementado sustancialmente como es evidente por la gran cantidad de estudios recientes dirigidos a mejorar la comprensión y la viabilidad de la tecnología de relleno. Algunos de los problemas geotécnicos importantes que actualmente se están abordando incluyen la evaluación de los cambios en la capacidad de compresión de residuos como una función del estado de, la evaluación de la utilización de una capa de drenaje geocompuesto para recircular o inyectar lixiviado, y la determinación de los cambios relativos en la resistencia a la cizalladura de residuos durante la descomposición de residuos con el fin de evaluar la estabilidad de los residuos84. Estos y otros temas requieren más evaluación y resolución ante una amplia aceptación de la tecnología de relleno sanitario con bioreactor. 5.5.2 Biorremediación con electrocinética. La remediación electrocinética se refiere al proceso mediante el cual un campo de corriente eléctrica de bajo voltaje (DC) se aplica a través de una sección de suelo contaminado para mover los contaminantes o modificar las condiciones del suelo, tales como el pH, Eh y DO. El campo eléctrico se aplica a través de electrodos (ánodo y cátodo) que se insertan en el suelo, y las partículas cargadas, especies químicas iónicas, son movilizadas por la corriente eléctrica aplicada. El uso de electrocinética (EK) es una tecnología de remediación eficaz para la eliminación de contaminantes de permeabilidad relativamente baja (<10-5 cm/s), porosidad de grano fino es también relativamente bien aplicado85, y numerosos estudios relacionados con la tecnología se han realizado en los últimos 10 a 15 años. La mayoría de estos estudios se han centrado principalmente en la eliminación de contaminantes iónicos, tales como metales pesados. Sin embargo, recientemente el interés se ha centrado en el uso de la electrocinética en la inyección y el transporte por campos eléctricos de aditivos que pueden mejorar la biorremediación de suelos de grano fino contaminados en condiciones aeróbicas o anaeróbicas86. Este concepto se ilustra esquemáticamente en la Figura 15.
84
GABR M. A., HOSSAIN M. S., y BARLAZ M. A. Parámetros de resistencia al corte de los residuos sólidos urbanos con recirculación de lixiviados. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, in review. 2005 85
ACAR Y. B. y ALSHAWABKEH A. N. Principles of electrokinetic remediation. Environmental Science and Technology. 2003. Vol. 27. No. 13. Pág. 2638-2647 86
SARAHNEY H. y ALSHAWABKEH A. N. Posible uso de la electrocinética para remediar suelos con benceno. Waste Containment and Remediation. 2005.
57
Figura 15. Esquema del sistema de electrocinética para la biorremediación
Fuente: SARAHNEY H. y ALSHAWABKEH A. N. Posible uso de la electrocinética para remediar suelos con benceno. Waste Containment and Remediation. 2001.
Como se muestra en la Figura 15, la aplicación de un campo de corriente continua a los electrodos insertados en los resultados de arcilla en la migración de los iones cargados positivamente (cationes) hacia el electrodo de carga negativa (cátodo), y la migración de los iones cargados negativamente (aniones) hacia el electrodo cargado positivamente (ánodo). Este proceso de transporte se conoce como la migración de iones. Al mismo tiempo, el desplazamiento de los cationes que dominan la doble capa difusa de las partículas de arcilla bajo el campo eléctrico impuesto a los resultados de cátodo en mayor movimiento de agua de los poros a través de un proceso conocido como electro-ósmosis. Los dos procesos de la migración de iones y electro-ósmosis son los procesos primarios que rigen el transporte químico bajo campos eléctricos en depósitos de arcilla consolidados87. Sin embargo, como se ilustra esquemáticamente en la Figura 15, los
87
ALSHAWABKEH A. N. y ACAR Y. B. Electrokinetic remediation: II. Theoretical model. Journal of Geotechnical Engineering. 2006. Vol. 122. No. 3. Pág. 186-196
58
microorganismos (normalmente cargados negativamente) también pueden ser impulsados en el suelo a través de electroforesis para mejorar la biorremediación de compuestos orgánicos, tales como hidrocarburos clorados (TCE) y los compuestos BTEX en un proceso que a menudo se denomina bioaumentación. Alternativamente, la biorremediación se puede mejorar a través de bioestimulación mediante el cual los nutrientes, como nitrógeno y fosfato, se inyectan y se transportan en el suelo bajo campos eléctricos para estimular la actividad de los cultivos de microorganismos ya presentes en el suelo. Por ejemplo, estudios recientes han evaluado el uso potencial de los ácidos orgánicos, tales como ácido láctico (C3H6O3), estimulantes EK a través de la inyección y transporte para la decloración de hidrocarburos clorados, tales como tetracloroetileno, tetracloruro de carbono y tricloroetano88. Debido a que el uso de la tecnología de EK en procesos de biorremediación in situ es un concepto relativamente nuevo, es necesario abordar revisar a tecnología en varias cuestiones y su implementación a gran escala. Por ejemplo, la aplicación de la corriente eléctrica genera reacciones de electrólisis en ambos electrodos, lo que genera condiciones ácidas (pH bajo) y la generación de oxígeno en el ánodo a través de la oxidación, y las condiciones básicas (alto pH) y la generación de gas hidrógeno en el cátodo a través de la reducción (ver Figura 15). La generación de oxígeno en el ánodo puede ayudar a estimular la biodegradación aeróbica, pero puede afectar negativamente a la biodegradación anaeróbica. Además, la producción de protones (H +) en el ánodo puede hacer caer el pH por debajo de 2, generando condiciones que son desfavorables para, e incluso perjudiciales, en el crecimiento microbiano. En este caso, el uso de agentes de neutralización de pH en los electrodos, tales como hidróxido de amonio en el ánodo y ácidos orgánicos en el cátodo, puede ser necesario89. Otros problemas importantes relacionados con el uso de EK para la biorremediación se refieren a los impactos de los campos eléctricos de CC en (1) las interacciones biogeoquímicas dentro del suelo antes de la aplicación de la técnica, (2) la adhesión microbiana y el transporte en el subsuelo, y (3) la actividad de los microorganismos en la matriz del suelo90. Con respecto al tema (3), Alshawabkeh y Maillacheruvu describen los resultados de un estudio que indica que los cultivos anaeróbicos parecían experimentar "shock ambiental" cuando se exponen a una intensidad de campo eléctrico superior a 1,4 V/cm. Sin embargo, estos cultivos fueron capaces de recuperar su actividad después de que las corrientes eléctricas se apagaron. Por el contrario, los cultivos aeróbicos no se vieron afectados negativamente cuando se exponen a la intensidad de un campo eléctrico superior a 0,28 V/cm. Sin embargo, la
88
WU X., ALSHAWABKEH A. N., GENT D., y LARSON S. Las tasas de transformación de lactato y el transporte en el suelo bajo los campos de corriente continua. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2005. 89
ACAR y ALSHAWABKEN. Op cit. 2003 90
ALSHAWABKEH Y MAILLACHERUVU. Op cit. 2001
59
exposición de cultivos aerobios a intensidades de campo de corriente continua de hasta 1,14 V / cm estimulado hasta en un período de 24 horas puede retrasar el crecimiento91. Estos resultados muestran las complicadas interacciones que pueden ocurrir cuando se consideran los procesos biológicos y el potencial de estas interacciones en términos de bioremediación con electrocinética. 5.5.3 Remediación con bacterias reductoras de sulfato. Una serie de experimentos de laboratorio han demostrado la eliminación de metales de una solución mediante la reducción de sulfato a través de bacterias reductoras de sulfato (SRB) y la precipitación de metal-sulfuro. Estos experimentos emplean usualmente materiales orgánicos sólidos, descomponibles como fuentes de nutrientes para las SRB que reducen el sulfato (SO4
2-) a sulfuro (S2-) que, a su vez, reacciona con los metales pesados para formar sulfuros metálicos que precipitan la solución. Ejemplos de los materiales orgánicos sólidos descomponibles que han sido probados incluyen el aserrín, el compost de champiñón, la alfalfa fresca, el suero de leche, el estiércol de vaca, lodos de aguas residuales, virutas de roble, lodos de papel de desecho, hoja de compost, aserrín, virutas de madera, lodos de depuradora, astillas de madera, estiércol de aves de corral, residuos de pulpa y papel, y la paja de trigo, entre otros. En algunos casos, los materiales sólidos orgánicos se han modificado con sustratos orgánicos disueltos92. Basado en gran parte en el éxito de estos estudios de laboratorio, se han reportado varias aplicaciones de campo que emplean el uso de SRB en zanjas reactivas permeables (PRT) y biorreactores basados en materiales orgánicos degradables sólidos para la remediación de drenaje ácido de minas (AMD). Por ejemplo, un reductor de sulfato que contiene 50% de grava, 20% de compost municipal, 20% tierra de hoja, 9% virutas de madera, y 1% de piedra caliza, todo por volumen, se construyó en 1995 en la mina NickelRim en Ontario, Canadá93. Las principales ventajas de este enfoque para la remediación de AMD son: (1) los materiales de sustrato orgánicos son relativamente baratos, (2) el proceso de reducción del sulfato es de origen natural en presencia de SRB, y (3) los costos operativos asociados con el tratamiento pasivo de tecnologías, como los sistemas de humedales artificiales y los EPR normalmente son sustancialmente más bajos que los asociados con intrusivos, y tecnologías de remediación más activos.
91
ALSHAWABKEH A.N., SHEN Y., y MAILLACHERUVU K. Effect of DC electric fields on COD in aerobic mixed cultures. 2004. Environmental Engineering Science. Vol. 21. No. 3. Pág. 321-329 92
FROMMICHEN R., KELLNER S., y FRIESE K. Sedimentos acondicionados con fuentes de carbono orgánico y/o inorgánico, como primer paso en la generación de alcalinidad de ácido de minas en agua delagos (pH 2-3). EnvironmentalScience and Technology. 2004. Vol. 37. No. 7. Pág. 1414-1421. 93
BENNER S. G, BLOWES D. W., PTACEK C. J., y MAYER K. U. Rates of sulfate reduction and metal sulfide precipitation in a permeable reactive barrier.2005. Applied Geochemistry. Vol. 17. No. 1. Pág. 301-320
60
Sin embargo, hay varios problemas relacionados con el uso de SRB para remediar el AMD. Probablemente, la cuestión más importante se refiere a la capacidad del sistema de tratamiento para sostener la actividad biológica en las duraciones típicamente prolongadas que se requieren para el tratamiento de grandes masas contaminantes con sistemas pasivos como los PRT. Esta capacidad para mantener la actividad biológica está limitada en parte por la disponibilidad de carbono utilizado por el SRB a través de la descomposición de la sustancia orgánica sólida. Una tasa limitada y/o cantidad de carbono puede provocar el apagóndel sistema de tratamiento del reactivo. Otra cuestión se refiere a la necesidad de mantener el pH de la DMAE, que es típicamente bastante bajo (pH <2), a un valor más neutro (típicamente6 <pH <8) que es más favorable para la actividad biológica. Un tercer problema con este enfoque es simplificar la complejidad del sistema de tratamiento. Por ejemplo, como se muestra en la
61
Figura 16, los procesos primarios asociados con la reducción de sulfato y precipitación de metales usando SRB incluyen: (i) la descomposición anaeróbica de materiales orgánicos de celulosa / hemicelulosa en partículas sólidas debido a la actividad de las bacterias descomponedoras, la producción de lactato con hidrólisis como la tasa de limitación de paso; (ii) la reducción de SO4
2 con base en la oxidación incompleta de lactato (reducción de sulfato 1 –Sulfate Reduction 1- en la
62
Figura 16), (iii) la precipitación instantánea o cinéticamente controlada del metal (Me2+), sulfuros, y (iv) la volatilización parcial de H2S a la fase de gas. Los procesos adicionales incluyen: (i) reducciones de SO4
2 basadas en la oxidación completa de lactato y acetato (reducciones de sulfato de 2 y 3 –Sulfate Reduction 2 and 3 en la
63
Figura 16), y (ii) los procesos de oxidación de lactato y la metanogénesis. Como se muestra en la figura, la mayoría de estos procesos están controlados cinéticamente. Debido a la complejidad de los procesos de reducción de sulfato en general con SRB, y la multitud de posibles composiciones sólidas de materiales orgánicos que se pueden utilizar en estos sistemas de tratamiento, un enfoque sistemático generalizado en el diseño y el funcionamiento de estos sistemas sigue siendo un problema.
64
Figura 16. Posibles reacciones bioquímicas para precipitación de metales resultante de la reducción del sulfato en solución acuosa
Fuente: HEMSI P. S, SHACKELFORD C. D., y FIGUEROA L. A. Modelado de la influencia de la descomposición de materia orgánica en suspensión en las tasas de reducción de sulfato de precipitación de hierro. EnvironmentalScience and Technology. 2005
5.6 ROL O PAPEL DEL MODELADO La capacidad de los modelos para predecir con precisión el comportamiento en el campo de los sistemas de ingeniería ha sido y seguirá siendo un problema que enfrentan los ingenieros geotécnicos. Este problema es especialmente importante cuando se trata de cuestiones ambientales, ya que los modelos a menudo se utilizan como una herramienta para predecir los futuros impactos y riesgos derivados de las actividades de ingeniería relacionadas con la protección del medio ambiente, como las nuevas instalaciones de eliminación de residuos y fuentes de contaminación existentes (por ejemplo, los vertederos de residuos y las pilas, los derrames accidentales de productos químicos, etc.) Los resultados de estas predicciones pueden ser utilizados para la definición de las regulaciones o normas y, a menudo son altamente analizados sobre la posibilidad de los efectos perjudiciales sobre la salud humana y el medio ambiente. La incertidumbre en la precisión de las predicciones delos modelo puede ser considerable, sobre todo en
65
los casos en que el plazo para las predicciones es extenso, tal como la eliminación de los desechos radiactivos que tienen una vida que va hasta los cientos a miles de años. En tales casos, la incertidumbre está asociada no sólo con la amplitud y la precisión de la física, química, y los procesos biológicos en los que se basa el modelo, sino también con la exactitud de los datos de entrada y la falta de conocimiento acerca de los cambios en las propiedades de material y los procesos que pueden ocurrir con el tiempo. Como resultado, las predicciones realizadas con los modelos existentes generalmente no pueden ser considerados fiables hasta que al menos las predicciones sean verificadas y comparadas con los datos de campo. En este sentido, ya modo de ejemplo, se está realizando un esfuerzo de investigación conjunta entre diversas universidades del mundo para evaluar el uso de modelos de flujo no saturado existentes para predecir el comportamiento hidrológico de cubiertas alternativas94. Aunque el principio subyacente de las cubiertas alternativas es simple, predecir con precisión el rendimiento hidrológico de las cubiertas alternativas es difícil, porque el flujo de agua en los suelos no saturados, y por lo tanto en cubiertas alternativas, es un proceso altamente no lineal que se somete a condiciones del entorno que reflejan la aleatoriedad natural de las precipitaciones. Además, la eliminación de agua a través de transpiración de las plantas y la evaporación a la atmósfera no se entiende completamente, en particular en lugares áridos y semiáridos. Algunos modelos numéricos sofisticados que simulan estos procesos se han desarrollado para el diseño de cubiertas alternativas, pero poco esfuerzo se ha dedicado a garantizar que las predicciones hechas con estos modelos hidrológicos representan con exactitud las condiciones de campo95. Como resultado de estas consideraciones, cinco modelos comúnmente utilizados para el diseño de cubiertas alternativas están siendo evaluados a través de su aplicación.Los modelos que están siendo considerados son los siguientes: HELP (Hydrologic Evaluation of Landfill Performance), UNSAT-H (Unsaturated Water and Heat Flow), VADOSE/W, HYDRUS-2D, y LEACHM (Leaching Estimation and Chemistry Model). Estos cinco modelos se pueden dividir en dos categorías diferentes: modelos de balance hídrico (HELP) y los modelos de ecuaciones de Richards (UNSAT-H, HYDRUS-2D, LEACHM, VADOSE/ W). Modelos de balance agua sobre precipitación en escorrentía e infiltración utilizan modelos empíricos y, modelos de ruta a través de la barrera usando algoritmos simplificados. En contraste, los
94
BENSON C. H., BOHNHOFF G. L., OGORZALEK A. S., SHACKELFORD C. D., APINWANTRAGOON P., y ALBRIGHT W. H. Los datos de campo y las predicciones de los modelos de una tapa alternativa. WasteContainment and Remediation. 2010 95
SCANLON B., CHRISTMAN M., FEEDY R., PORRO I., SIMUNEK J., y FLERCHINGER G. Intercode comparisons for simulating water balance of surficial sediments in semiarid regions. 2012. Water Resources Research. Vol. 38.No. 12.Pág.1323-1339
66
modelos de la ecuación de Richards emplean una ecuación diferencial parcial de flujos no saturados para describir cómo el agua entra y se mueve a través de la cubierta, y para predecir la velocidad a la cual el agua se filtra en los residuos subyacentes96. Las ventajas primarias de los modelos de balance de agua son la sencillez y facilidad de uso, mientras que la principal ventaja de los modelos basados en la ecuación de Richards se cree que son más precisos, ya que estos modelos se basan en los fundamentos de la física de la migración de agua bajo condiciones de insaturación97. Los resultados de las simulaciones utilizando cada uno de los modelos antes mencionados se comparan con los datos de campo medidos para cubiertas alternativas en un número seleccionado de los sitios en el ACAP antes mencionado. Las propiedades hidráulicas registradas están siendo utilizadas como entrada junto con las propiedades medidas en el campo sobre la vegetación. Los datos en sitio son utilizados como entradas meteorológicas. Los parámetros hidráulicos para cada tipo de suelo se han clasificado en cuatro casos: (1) capacidad de almacenamiento promedio (MSC), (2) alta capacidad de almacenamiento (HSC), (3) capacidad de almacenamiento bajo (LSC) y (4) en campo adaptado ( FF). El caso MSC se definió utilizando la media geométrica de la log-normal distribuidacon parámetros como conductividad hidráulica saturada y el parámetro de van Genuchten, y la media aritmética de los parámetros de una distribución normal con parámetros de contenido de agua saturada y residual, y el parámetro n de van Genuchten. Los parámetros correspondientes a la capacidad de almacenamiento "alta" y "baja" se definen como dos desviaciones estándar de la media (geométrica o aritmética, dependiendo del parámetro). La gran capacidad de almacenamiento se supone que corresponde a los altos contenidos de agua saturada con baja conductividad, hidráulica saturada y contenido de agua residual. Del mismo modo, la capacidad de almacenamiento bajo se definió utilizando bajo contenido de agua saturada con alta conductividad hidráulica saturada, y el contenido de agua residual. Los parámetros de campo de ajuste se derivaron de las funciones hidráulicas de ajuste al contenido de agua y de succión matricial medido en el campo.
96
KHIRE et al. Op cit. 2010 97
FAYER M. y GEE G. Hydrologic model tests for landfill covers using field data. Landfill Capping in the Semi-Arid West, Environmental Science and Research Foundation. 1997. Idaho Falls, Idaho.Pág.53-68.
67
6. ROL DE LA GEOTENIA EN EL CAMPO DE LA DE LA INGENIERIA AMBIENTAL
6.1 IMPORTANCIA DE LA IDENTIDAD PROFESIONAL La gran cantidad de terminología que se ha utilizado para representar el campo general de las cuestiones ambientales relacionadas con la Ingeniería Geotécnica (por ejemplo, geotecnia de residuos, geotecnia ambiental, control ambiental, ingeniería geotécnica para la eliminación de residuos, la práctica geotécnica para la eliminación de residuos, la geotecnia de la eliminación de residuos, geotecnia del medio ambiente, ingeniería geoambiental, etc) han llevado en ocasiones a la confusión y a la ausencia general de una identidad profesional formal para aquellos profesionales que abordan estas cuestiones. Mientras que algunos de los términos, sin duda, se refieren a aspectos específicos del campo en general (por ejemplo, eliminación de residuos), otra terminología es más amplia en su significado o interpretación. Además, el origen exacto de la terminología rara vez se conoce con certeza y, por lo tanto, el significado inferido de la terminología no puede ser exactamente el mismo que el significado pretendido. A pesar de la variabilidad aparente y/o imprecisión en la terminología, los dos términos, a saber. "Geotecnia Ambiental" e "Ingeniería Geoambiental" (o "Ingeniería Geo-Ambiental"), parecen haber ganado algo de consenso a través de un proceso evolutivo de proporcionar una identidad adecuada para aquellos que trabajan en el campo general de las cuestiones ambientales relacionadas con la Ingeniería Geotécnica. Mientras que la diferencia de estos dos términos puede ser difícil de discernir, hay una distinción entre el significado de los dos términos. El término "Ingeniería Geoambiental" es el más amplio ya que refleja los aspectos multidisciplinarios de los problemas ambientales del suelo desde una perspectiva ingenieril, mientras que el término "Geotecnia Ambiental" es un término más específico que se refiere principalmente a los mismos aspectos de los problemas ambientales del suelo pero desde la perspectiva de la ingeniería geotécnica específicamente. Por ejemplo, muchos profesionales como los hidrogeólogos, ingenieros de aguas subterráneas, ingenieros ambientales, ingenieros geotécnicos, y otros, pueden estar involucrados con los problemas ambientales relacionados con la contaminación del subsuelo. Sin embargo, cada uno de estos profesionales probablemente está involucrado con diferentes aspectos de un problema específico, como la migración de contaminantes (hidrogeólogo), la protección de pozo (ingeniero de aguas subterráneas), el tratamiento químico y físico de los flujos de residuos (ingenieros ambientales), y el diseño y construcción de sistemas de contención de residuos (ingenieros geotécnicos). Desde una perspectiva amplia y multidisciplinar, cada una de estas personas es un "ingeniero o científico geoambiental", ya que cada individuo está tratando con algún aspecto de la contaminación del subsuelo. Sin embargo, la experiencia de cada individuo dentro
68
del campo general de la "Ingeniería y Ciencia Geoambiental", obviamente, no es la misma. Al mismo tiempo, cada individuo en este punto de vista multidisciplinario puede haber sido educado formalmente en un campo diferente. Por ejemplo, un hidrogeólogo es geólogo especializado en el origen, la edad, y el movimiento de las aguas subterráneas. Esta especialización distingue al hidrogeólogo de otros geólogos que tienen esencialmente la misma educación básica en geología, pero que pueden tener un conocimiento en profundidad más de algún otro aspecto de la geología, como la geomorfología. Por lo tanto, la hidrogeología se refiere a una sub-disciplina de la geología. De manera similar, los ingenieros de aguas subterráneas se ocupan de problemas no relacionados con el medio ambiente (por ejemplo, además de la hidráulica y la producción de los acuíferos), la Ingeniería Ambiental incluye muchos otros temas ambientales no relacionados con los suelos (por ejemplo, la contaminación del aire, la contaminación del agua, el diseño de las instalaciones de tratamiento sanitario, entre otros); la Ingeniería Geotécnica abarca muchas otras áreas relacionadas con el diseño y construcción de obras civiles (por ejemplo, cimientos profundos y semi-profundos, la dinámica del suelo, el análisis de la estabilidad de taludes, y las estructuras de retención de la tierra). Desde la perspectiva de la Ingeniería Geotécnica, un ingeniero geotécnico cuya responsabilidad principal es el diseño y construcción de cimientos puede ser considerado como un "ingeniero de cimientos". De manera similar, un ingeniero geotécnico cuya principal responsabilidad corresponde al diseño y construcción de revestimientos de arcilla y cubiertas para la eliminación de residuos pueden estar asociados con la sub-disciplina de la "Geotecnia Ambiental". Si bien un profesional de la Ingeniería Geotécnica (o Geotecnia) es un ingeniero geotécnico y, por lo tanto, se educa a un nivel mínimo en los temas esenciales relacionados en la Ingeniería Geotécnica (por ejemplo, mecánica de suelos y el comportamiento del suelo, cimientos), la experiencia de cada ingeniero geotécnico no es la misma. Por lo tanto, desde la perspectiva de la ingeniería geotécnica, la sub-disciplina de la geotecnia cuyo objetivo principal se refiere a las cuestiones ambientales se conoce como "Geotecnia Ambiental" (ver Figura 17). Sin embargo, sobre la base de la discusión anterior, puede haber una percepción de que las especializaciones de los profesionales que trabajan en Ingeniería Geoambiental son únicas. Por el contrario, todos los ingenieros geoambientales deben trabajar para alcanzar un nivel mínimo de conocimientos en la que muchas de las otras especializaciones en geotecnia son posibles. El logro de esta amplitud de conocimiento le ayudará a prever la interacción técnica eficaz entre los profesionales que se requieren para los proyectos geoambientales en un entorno multidisciplinar. Por ejemplo, las personas que se consideran especialistas en geotecnia ambiental no sólo deben poseer un nivel mínimo de conocimiento que caracteriza a un ingeniero geotécnico, sino que deben también poseer un nivel
69
mínimo de conocimientos para interactuar eficazmente con los hidrogeólogos, ingenieros de aguas subterráneas, ingenieros ambientales, entre otros. El logro de este conocimiento requiere el aprendizaje de los temas que generalmente se consideran fuera del ámbito de la Ingeniería Geotécnica, tales como transporte de contaminantes, química del suelo, química acuosa y microbiología del suelo. Figura 17. Sub-disciplinas de la geotecnia
Fuente: Comprensión de los autores a partir de la revisión bibliográfica
Como ejemplo, tómese el programa de Ingeniería geoambiental de la Universidad Estatal de Colorado en los Estados Unidos, el cual se basa principalmente en estos conceptos y se compone de un programa interdisciplinario representado por la intersección de tres sub-disciplinas de la Ingeniería Civil, a saber: Geotecnia, Ingeniería Ambiental, y Aguas Subterráneas (ver figura 18). Si bien esta definición puede parecer algo limitada, la definición no facilitará la capacidad de los estudiantes en el programa de Ingeniería geoambiental para proceder en cualquiera de las tres sub-disciplinas de la Ingeniería Civil, y para complementar su educación formal en la sub-disciplina elegida tomando cursos en las otras dos sub-disciplinas, así como una serie de otras disciplinas relacionadas con la ciencia geoambiental (por ejemplo, la hidrogeología, la edafología, etc.)
Mecánica de suelos
Dinámica de suelos e
ingeniería de terremotos
Cimientos Presas y
Terraplenes
Geotecnia ambiental
Estructura de contención
70
Figura 18. Definición de la ingeniería GeoAmbiental en el programa de la Universidad del Estado de Colorado
Fuente: http://www.engr.colostate.edu/students/current-students/
Como ejemplo de la importancia de la terminología y la identidad profesional, un debate en curso ha existido dentro de la comunidad de la Ingeniería Geotécnica en el mundo, ya que el nombre de la revista profesional de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles fue modificado de: Revista de Ingeniería Geotécnica A Revista de Ingeniería Geoambiental y Geotecnia, Cartográfica y geoambiental comenzando con el primer número (Vol. 123, N º 1), publicado en 1997. Algunosprofesionales han argumentado que el nombre de la revista no debería haber sido cambiado porque la Ingeniería Geoambiental representa una sub-disciplina de la Ingeniería Geotécnica, sugiriendo que las otras sub-disciplinas de la Ingeniería Geotécnica son de menor trascendencia e importancia, y que el cambio en el nombre de la revista la ha hecho más exclusiva y no más inclusiva98. Sin embargo, sobre la base de la distinción antes mencionada entre los términos Geoambiental, Ingeniería Geotécnica, y Ambiental, el término Ingeniería Geoambiental no es una subdisciplina de la Ingeniería Geotécnica, sino que representa la intersección de todos los campos de la ingeniería que están involucrados en las aplicaciones de Ingeniería Geoambiental. Si se acepta este argumento, entonces la comunidad de la Ingeniería Geotécnica habrá asumido un
98
MITCHELL J. K. A brief history of environmental geotechnics.Geo-Strata, ASCE, Reston, Virginia, USA, October 2002. Pág. 26-30.
Ingenieria Geotécnica
Ingenieria Ambiental
Aguas subterraneas
Geotecnia
Ambiental
71
papel de liderazgo en cuanto a la formalización de la identidad de la Ingeniería Geoambiental. 6.2 OTRAS CARACTERÍSTICAS DEL ROL DE LA GEOTECNIA AMBIENTAL Y
LA INGENIERÍA AMBIIENTAL 6.2.1 Los saberes específicos para el geotecnista. Klaine et al.99 acuñaron una frase para indicar el contexto en el cuál la Geotecnia circunscribe su campo de acción: “Técnicamente cada estructura está soportada por arena y piedras, aún en el caso donde ésta parezca que está flotando, no se vea, parezca que vuela o que se encuentra en un terreno inestable. Esta condición solo puede ser generada por obras que la Geotecnia hace posible”. Esta conceptualización bien puede tomarse como una definición de lo que la Geotecnia representa y que en la Figura 19 se muestran como ejemplos. No obstante una definición precisa y enfocada en el propósito de explicitar esta área de la ingeniería afirma que “la Geotecnia es la rama de la Ingeniería civil e ingeniería geológica que se encarga del estudio de las propiedades mecánicas, hidráulicas e ingenieriles de los materiales provenientes de la Tierra. Los ingenieros geotécnicos investigan el suelo y las rocas por debajo de la superficie para determinar sus propiedades y diseñar las cimentaciones para estructuras tales como edificios, puentes, centrales hidroeléctricas, estabilizar taludes, construir túneles y carreteras, etc.”100 Figura 19. Diferentes estructuras que son posibles gracias al trabajo de la Geotecnia
Fuente: KLAINE, Stephen J., et al. Nanomaterials in the environment: behavior, fate, bioavailability, and effects. Environmental Toxicology and Chemistry, 2008.
99
KLAINE, Stephen J., et al. Nanomaterials in the environment: behavior, fate, bioavailability, and effects. Environmental Toxicology and Chemistry, 2008, vol. 27, no 9, p. 1825-1851. 100
DAS, Braja; SOBHAN, Khaled. Principles of geotechnical engineering. Cengage Learning, 2013.
72
Al respecto y siguiendo esta definición, los tópicos o saberes de un Ingeniero Geotécnico son101:
Propiedades de los suelos
Clasificación de los suelos
Minerales de arcilla y estructuras del suelo
Compactación
Agua en los suelos: capilaridad, contracción, hinchazón, heladas, permeabilidad, filtración y tensión efectiva
Sedimentos y asentamiento
Tasa de consolidación
El circulo de Mohr, teoría de la falla y trayectorias de tensión
Arenas y arcillas 6.2.2 Saberes específicos para el ingeniero ambiental. En primera instancia vale la pena utilizar la definición sobre Ingeniería Ambiental que brindan los autores de textos universitarios como Vesilind et al.102; estos autores afirman que la Ingeniería Ambiental es “la aplicación de tecnologías para el monitoreo, mejoramiento y protección del medio ambiente plasmadas durante la fase de diseño de instalaciones y productos”. El campo de estudio de la ingeniería ambiental utiliza los principios de la biología y la química para desarrollar soluciones a los problemas ambientales. Estos problemas generalmente se concentran en la contaminación del agua y el control de la contaminación del aire, el reciclaje, la eliminación de residuos, y todos aquellos asuntos de salud pública. Los ingenieros ambientales llevan a cabo estudios de gestión de residuos peligrosos en los que evalúan la importancia del peligro, ofrecen análisis sobre el tratamiento y la contención, y desarrollan reglamentos para prevenir accidentes. A modo general los tópicos que debe conocer un profesional en formación de la Ingeniería Ambiental según la perspectiva de una universidad internacional y un currículo local se presentan en el Cuadro 1 se presenta un comparativo entre los tópicos de dos universidades.
101
Mitchel et al. Op cit. 2002 102
VESILIND, P. Aarne; MORGAN, Susan M.; HEINE, Lauren G. Introduction to Environmental Engineering-SI Version: SI Edition. Cengage Learning, 2010.
73
Cuadro 1. Comparativo de tópicos incluidos en un programa de Ingeniería Ambiental Internacional y uno local
Penn State University Universidad Pontificia Bolivariana
Tratamiento y distribución de aguas residuales
Tratamiento y distribución de aguas residuales
Bioremedicación y tratamiento de aguas residuales
Disposición y tratamiento de aguas residuales
Conservación de ciencias hidrográficas Conservación de ciencias hidrográficas
Manejo de la biodiversidad
Control de contaminación atmosférica
Reciclaje Recolección y eliminación de residuos sólidos
Diseño y construcción de edificaciones ambientalmente sostenibles
Construcción de obras civiles asociadas a Ingeniería Ambiental
Evaluación de impactos ambientales Estudios de impacto ambiental
Gestión Ambiental
Ética Ambiental
Producción de energía alternativa Fuente: Páginas web de los programas de Ingeniería Ambiental
La comparación demuestra que los tópicos que se trabajan al menos en la comparación entre el programa internacional y el local no son muy alejados o diferentes. Bien claro queda que la perspectiva académica de la Ingeniería Ambiental radica en la conservación del agua y el aire, y el trabajo en el diseño y construcción de nuevos escenarios y productos amigables con el medio ambiente. Otro punto de vista sobre la Ingeniería Ambiental y los saberes específicos se pueden exponer a través del perfil del profesional en formación. Los ingenieros ambientales deben ser creativos, inquisitivos, analíticos, y orientados al detalle. Ellos deben tener un buen conocimiento de las matemáticas, incluyendo el álgebra, la geometría, la trigonometría y el cálculo, ciencias, como la biología, la química y la física, y los sistemas informáticos. Habilidades para trabajar en equipo y de comunicación son importantes para los trabajos de la Ingeniería Ambiental. 6.2.3 Campos de acción de la ingeniería ambiental y la geotecnia. Para comprender los campos de acción de manera comparada entre la Ingeniería Ambiental y la Geotecnia se presenta en el ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. un listado de aplicaciones de Ingeniería Ambiental y de la
74
Geotecnia103 y en el ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. otro comparativo pero con los campos de investigación: Cuadro 2. Comparativo de los campos de acción de la Ingeniería Ambiental y la Ingeniería Geotécnica
Ingeniería Ambiental Ingeniería Geotécnica
Tratamiento de aguas residuales, aguas de rio contaminadas, aguas de desecho, aceites y el aire.
Administración de las cuencas hidrográficas
Eliminación de residuos sólidos y peligrosos
Construcción de depósitos de residuos sólidos, rellenos sanitarios
Producción de energías renovables
Diseño de productos “verdes”
Cimientos para edificaciones
Construcción de presas de tierra
Corrimientos de tierra o tierras en erosión
Fuente: Elaborado por los autores a partir de Vesilind et al. (2010)
Cuadro 3. Comparativo de los campos de investigación de la Ingeniería Ambiental y la Ingeniería Geotécnica
Ingeniería Ambiental Ingeniería Geotécnica
Producción de Bioenergía: producción biológica de hidrógeno, células de combustible microbianas
Biorremedicación: uso de nuevas sustancias para revertir impactos ambientales (radionúclidos, nitrato, otros)
Nuevas técnicas y uso de recursos naturales para el fortalecimiento de suelos
Nuevos métodos de tratamiento de aguas residuales
Minerales y suelos para evitar la contaminación desde aguas residuales
Tecnologías para la gestión de residuos sólidos
Técnicas y materiales para el relleno y la construcción de contenedores de residuos
Productos ecológicos Fuente: Elaborado por los autores a partir de Vesilind et al. (2010)
103
VESILIND et al. Op cit. 2010
75
La comparación realizada en los cuadros anteriores permite concluir que la investigación entre la Ingeniería Ambiental y la Geotecnia Ambiental se encuentran básicamente en dos aspectos: cómo construir o preparar suelos para el apoyo de las obras de ingeniería ambiental y cómo utilizar materiales que sean amigables con el medio ambiente o en el mejor de los casos como solucionar sus problemas de ingeniería utilizando los mismos procesos que la naturaleza provee. 6.2.4 Perspectiva y rol de la ingeniería geotécnica y de la ingeniería ambiental. En la discusión presentada en el numeral 6.1 de la sección anterior se aclaró que la Ingeniería Ambiental juega un rol más general en la solución de los problemas ambientales y que la Geotecnia Ambiental se circunscribe exclusivamente a problemas ambientales específicos que se pueden solucionar con las herramientas o área técnica de la Geotecnia. Una de las diferencias cruciales entre la Ingeniería Ambiental y la Geotecnia Ambiental radican en el hecho que su único punto de intersección es la gestión ambiental del suelo, ya que la Geotecnia no participa en la solución de problemas sobre el aire, la contaminación del agua o las emisiones, mientras que la Ingeniería Ambiental aborda todo problema ambiental indiferente del aspecto de la naturaleza. Incluso, tal como se manifestó en el apartado anterior, exactamente en la Figura 17, la Geotecnia maneja seis sub-disciplinas en donde la geotecnia ambiental es tan solo una de ellas: estructuras de contención, mecánica de suelos, dinámica de suelos e ingeniería de terremotos, cimientos, presas y terraplenes, y geotecnia ambiental. De esta manera se aclara que el rol de la Geotecnia Ambiental es el de solucionar los problemas que se han concluido de la revisión documental realizada y plasmada en este estudio.
76
CONCLUSIONES
Una evaluación de los siete problemas ambientales actuales y/o futuros de la Ingeniería Geotécnica se ha presentado, incluyendo: a. el rendimiento a largo plazo de los sistemas de contención de residuos
existentes, b. la aceptación de las barreras y sistemas alternativos de barrera, c. la necesidad de barreras y sistemas innovadores de barrera, d. la aparición de nuevas formas de residuos, e. el aumento de la importancia de los procesos biológicos, f. El papel de los modelos y g. la necesidad de una terminología coherente con respecto a la identidad
profesional. El significado y la aplicación práctica de cada tema se ilustraron a través de uno o más ejemplos. Se proporcionaron dos ejemplos para ilustrar la necesidad de un seguimiento continuo de los sistemas de contención de residuos durante largos períodos de tiempo para asegurarse de que dichos sistemas sigan siendo eficaces en la protección de la salud humana y el medio ambiente. El primer ejemplo es una descripción de la reciente aparición de compuestos orgánicos volátiles (COV) en lisímetros debajo de vertederos forrados. El segundo ejemplo se refería a la función de intercambio de cationes en el rendimiento hidráulico de revestimientos de arcilla geosintética (GCL) y las duraciones relativamente largas que pueden ser necesarias para alcanzar el equilibrio en la conductividad hidráulica de GCL impregnados con soluciones de sales inorgánicas. Con respecto a las barreras y materiales de contención alternativos, se puso énfasis en cubiertas alternativas de tierra (AEFCS) que están siendo consideradas actualmente como sustitutos de las cubiertas convencionales o prescritas en las instalaciones de contención de residuos. Las ventajas de las AEFCS incluyen costos más bajos y potencialmente mejor resistencia a factores ambientales, tales como el craqueo y la desecación en ciclos de congelación-descongelación. Los resultados de las mediciones del balance hídrico de tres AEFCS en tres sitios diferentes fueron presentadas para enfatizar la necesidad de realizar pruebas de campo a gran escala a fin de evaluar el desempeño de las AEFCS con respecto a las cubiertas convencionales, así como los criterios que se utilizan actualmente para establecer un rendimiento equivalente de las AEFCS con respecto a las cubiertas convencionales. Las barreras y materiales de contencióninnovadores se distinguen de las barreras y materiales de contenciónalternativos en que los primeros se encuentran todavía en una etapa fundamental de la investigación y desarrollo, mientras que los segundos están más en la fase de demostración para la aprobación de los entes reguladores y de aplicación. Se describieron dos posibles barreras y materiales de
77
contención innovadores, incluyendo las barreras de arcilla que se comportan como membranas semi-permeables, o barreras de membrana de arcilla (CMBS), y nanocompuestos de polímero-arcilla. La principal ventaja de las CMBS es la reducción en el flujo de masa contaminante (soluto) en relación con las barreras de arcilla de no-membrana. Sin embargo, la capacidad de las CMBS para mantener el comportamiento de la membrana durante períodos prolongados es una cuestión que requiere un estudio adicional. Los Nanocompuestos de polímero-arcilla se refieren a los materiales de plástico (polímero) que contienen una pequeña fracción de los minerales de arcilla de silicato en capas que resultan en la mejora de las propiedades del material para el nanocompuesto con respecto al polímero solo. En particular, la fuerza de los nanocompuestos de polímero-arcilla puede ser hasta dos veces mayor que para un polímero solo, y los coeficientes de difusión gaseosa para nanocompuestos de polímero-arcilla puede ser sustancialmente reducida con respecto a los del polímero solo. Debido a estas mejoras en las propiedades, los nanocompuestos de polímero-arcilla pueden ofrecer un rendimiento mejorado como sustitutos de geomembranas en los sistemas de contención de residuos, aunque tal rendimiento mejorado no se ha demostrado hasta la fecha. Con el fin de proteger la salud humana y el medio ambiente, los ingenieros geotécnicos tendrán que hacer frente a la movilidad de las diversas formas de residuos emergentes que recientemente se han identificado o se espera en un futuro próximo. Se identificaron tres formas de tales residuos, incluidos los antibióticos utilizados como promotores del crecimiento en el ganado (vacas, cerdos, aves de corral, ovejas), los priones derivados de la eliminación de cadáveres de animales infectados con enfermedades de transmisión animal, como encefalopatías y los espongiformes transmisibles (EET) en las instalaciones de los contenedores de residuos, y los nanoredisuos resultantes de un subproducto de la industria de la nanotecnología. La creciente importancia de los procesos biológicos en los que rige el funcionamiento de los sistemas del medio ambiente también es un tema emergente en Ingeniería Geotécnica. El papel de los procesos biológicos en tres aplicaciones ambientales por medio de la ingeniería geotécnica se describió para ilustrar esta importancia cada vez mayor, incluyendo vertederos biorreactores, biorremediación de compuestos orgánicos mediante la bioestimulación o bioaumentación con elecrokinetics, y el tratamiento de las aguas subterráneas cargadas de metal usando sulfato de reducción de las bacterias en los sistemas de tratamiento pasivo, tales como zanjas reactivas permeables y humedales artificiales. La complejidad de los procesos biológicos relativos a los procesos físicos y químicos representa un importante desafío para los ingenieros geotécnicos, de manera que el papel de los procesos biológicos en Ingeniería Geotécnica probablemente seguirá siendo un tema dominante del medio ambiente en el futuro previsible.
78
El papel de los modelos es una cuestión particularmente importante cuando se trata de problemas ambientales, ya que los modelos a menudo se utilizan como herramientas para predecir los futuros impactos y riesgos derivados de las actividades de ingeniería relacionadas con la protección del medio ambiente, como las nuevas instalaciones de eliminación de residuos y fuentes de contaminación existentes (por ejemplo, vertederos y pilas, los derrames accidentales de productos químicos, etc.). Debido a la incertidumbre en la exactitud de las predicciones del modelo, las predicciones realizadas con los modelos existentes generalmente no pueden ser consideradas fiables hasta que al menos sean verificadas por comparación con los datos de campo. En este sentido, se presentaron cuatro modelos de flujo no saturado comercialmente disponibles y con comparaciones con los de campo, medidos para dos AEFCS en dos sitios diferentes. Las tendencias en los parámetros de balance de agua medidos generalmente son simulados similarmente bien en cada uno de los cuatro modelos, pero las capacidades de cada modelo para predecir con precisión un parámetro de balance de agua dada varía entre los cuatro modelos y entre los dos sitios. La comparación sirve para ilustrar que, si bien se han hecho progresos en cuanto a la determinación de la fiabilidad de los modelos para predecir los resultados futuros, aún se requiere considerable estudio de manera que el papel de los modelos probablemente seguirá siendo un problema en términos de aplicaciones ambientales en Ingeniería Geotécnica. Por último, se argumenta la necesidad de una terminología coherente con respecto a la identidad profesional de las personas que se ocupan de cuestiones ambientales. Se propone el uso de dos términos con significados diferentes, a saber: Geotecnia Ambiental e Ingeniería Geoambiental. En este sentido, la geotecnia ambiental se refiere a la sub-disciplina de la Ingeniería Geotécnica que incluye a profesionales cuya principal formación es la de un ingeniero geotécnico, y que se especializa en soluciones a problemas ambientales utilizando geomateriales. En contraste, la ingeniería geoambiental es un término más amplio que refleja los aspectos multidisciplinarios de los problemas ambientales del suelo desde una perspectiva de ingeniería, e incluye profesionalescuya formación puede estar en disciplinas distintas de la Ingeniería Geotécnica, tales como ingenieros ambientales e ingenieros de aguas subterráneas. La consistencia de tal terminología debería ayudar a proporcionar una coherencia en la identidad profesional que puede ser más precisa y eficiente en términos de divulgación al público en general.
79
RECOMENDACIONES Si bien, el documento entrega una orientación para que los estudiantes de la especialización reconozcan las similitudes o diferencias con otras disciplinas como la geotecnia o la ingeniería ambiental, también se convierte en un referente teórico para ubicar al estudiante profesionalmente, así como contribuir a la socialización de una sub-disciplina dela ingeniera civil.
80
BIBLIOGRAFIA ACAR Y. B. y ALSHAWABKEH A. N. Principles of electrokinetic remediation. EnvironmentalScience and Technology. 2003. Vol. 27. No. 13. Pág. 2638-2647 ALBRIGHT W. H, BENSON C. H., GEE G. W., ROESLER A. C., y ABICHOU T, APINMANTRAGOON P., LYLES B. F., y ROCK S.A. Balance de agua en un campo de relleno. Journal of EnvironmentalQuality. 2004. Vol. 33. No. 6. Pág. 2317-2332 ALSHAWABKEH A. N. y ACAR Y. B. Electrokinetic remediation: II. Theoretical model. Journal of Geotechnical Engineering. 2006. Vol. 122. No.3. Pág. 186-196. ALSHAWABKEH A. N., y MAILLACHERUVU K. Electroquímica e interacciones biogeoquíjmicas bajo campos eléctricos de DC. Chapter 4, Physicochemical Groundwater Remediation, 2001. Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York.Pág. 73-90. ALSHAWABKEH A.N., SHEN Y., y MAILLACHERUVU K. Effect of DC electric fields on COD in aerobic mixed cultures. 2004. EnvironmentalEngineeringScience. Vol. 21. No. 3. Pág. 321-329. BAENA G. Instrumentos de investigación. 22ª impresión. Editorial Editores Unidos. México. Citado por AVILA Hector en Introducción a la metodología de la investigación. 2007. México. BARLAZ M., A. HAM R. y SCHAEFER D. La producción de metano a partir municipal desperdicios de una revisión de las técnicas de mejora y la dinámica microbiana. CriticalReviews in Environmental Control. 2000. Vol. 19. No. 6. Pág. 557-584. BENNER S. G, BLOWES D. W., PTACEK C. J., y MAYER K. U. Rates of sulfate reduction and metal sulfide precipitation in a permeable reactive barrier.2005. AppliedGeochemistry. Vol. 17. No. 1. Pág. 301-320. BENSON C. H. Los sistemas de contención: lecciones aprendidas de los fracasos de América del Norte. 2002. EnvironmentalGeotechnics (4th ICEG). Vol. 2. Pág. 1095-1112. BENSON C. H. y EDIL T. B. Un contenedor de membrana de polímeros como barrera. 2004 EnvironmentalScience and Technology. Vol. 38. No. 19. Pág. 52-63. BENSON C. H., BOHNHOFF G. L., OGORZALEK A. S., SHACKELFORD C. D., APINWANTRAGOON P., y ALBRIGHT W. H. Los datos de campo y las
81
predicciones de los modelos de una tapa alternativa. WasteContainment and Remediation. 2010. BONAPARTE R., DANIEL D. E., y KOERNER R. M. Evaluación y recomendación para la mejora del rendimiento de sistemas de contención de aguas residuales. 2008. EnvironmentalProtection Agency. Estados Unidos. BOWDERS J. J., LOEHR J. E., NEUPANE D., y BOUAZZA A. 2003. Construction quality control for asphalt concrete hydraulic barriers.Journal of Geotechnical and GeoenvironmentalEngineering. Vol. 129. No. 3. Pág. 219-223. DAS, Braja; SOBHAN, Khaled. Principles of geotechnical engineering. Cengage Learning, 2013. DIONYSIOU D. D. Aplicaciones e implicaciones de la nanotecnología y los nanomateriales Ambientales. 2004. Journal of EnvironmentalEngineering. Vol. 131. No. 7. Pág. 723-724. DWYER S. Alternative landfill covers pass the test. Civil Engineering.2007 Vol. 68. NO. 9. Pág. 30-52. EDIL T. B. Una revisión de los transportes VOC en fase acuosa en revestimientos de rellenos sanitarios modernos. Waste Management. 2003. Vol. 23. No. 7. Pág. 561-571. FAYER M. y GEE G. Hydrologic model tests for landfill covers using field data. Landfill Capping in the Semi-Arid West, Environmental Science and Research Foundation.1997. Idaho Falls, Idaho. Pág. 53-68. FLEMING I. R., ROWE R. K., y CULLIMORE D. R. Las observaciones de campo de la obstrucción en un sistema de recogida de lixiviados de vertedero. Canadian GeotechnicalJournal. Vol. 36. No. 4. Pág. 685-707. FREMPONG E. M. y YANFUL E. K. Evaluación Geo-ambiental de dos suelos arcillosos tropicales para su uso como materiales de revestimiento de ingeniería. WasteContainment and Remediation (ASCE GeotechnicalSpecialPublication No. 47). 2005. FROMMICHEN R., KELLNER S., y FRIESE K. Sedimentos acondicionados con fuentes de carbono orgánico y/o inorgánico, como primer paso en la generación de alcalinidad de ácido de minas en agua delagos (pH 2-3). EnvironmentalScience and Technology. 2004. Vol. 37. No. 7. Pág. 1414-1421.
82
GABR M. A., HOSSAIN M. S., y BARLAZ M. A. Parámetros de resistencia al corte de los residuos sólidos urbanos con recirculación de lixiviados. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, in review. 2005. GRADY D. With diseased animals, disposal isn’t simple. New York Times.2004.Enero6. New York, NY. HEMSI P. S, SHACKELFORD C. D., y FIGUEROA L. A. Modelado de la influencia de la descomposición de materia orgánica en suspensión en las tasas de reducción de sulfato de precipitación de hierro. EnvironmentalScience and Technology. Vol. 39. 2005. HOTTA S. y PAUL D. R. Nanocompuestos formados de polietileno lineal de baja densidad y arcillas orgánicas. Polymer. Vol. 45. No. 22. Pág. 7639-7654. JAMES A. N., FULLERTON D., y DRAKE R. Rendimiento de campo bajo condiciones de intercambio de iones. 1997. Journal of Geotechnical and GeoenvironmentalEngineering. Vol. 123. No. 10. Pág. 897-901. JO H. Y., BENSON C. H., SHACKELFORD C. D., LEE J.M. y EDIL T. B. Conductividad hidráulica a largo plazo de un revestimiento de arcilla geosintéticos (GCL) impregnado con soluciones de sales inorgánicas. 2005. Journal of Geotechnical and Geo-environmentalEngineering. Vol. 131. No. 4. JO H. Y., BENSON C. H., y EDIL T. B. Conductividad hidráulica y de intercambio catiónico en bentonita no prehidratada y prehidratada impregnados con soluciones de sales inorgánicas débiles. 2004. Clays and ClayMinerals. Vol. 52. No. 6. Pág. 661-679. KAMON M., ZHANG H., KATSUMI T., y SAWA N. EffectonRedox la conductividad hidráulica del revestimiento de arcilla. 2008. Soils and Foundations. Vol. 42.No. 6.Pág.79-91. KAYA A. y DURUKAN S. Utilization of bentonite-embedded zeolite as clay liner. Applied Clay Science. 2004. Vol. 25. No. 1-2. Pág.83-91. KHIRE M. V., BENSON C. H. y BOSSCHER P. J. Capillary barriers: Design variables and water balance. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering.2010. Vol.126. No. 8. Pág. 695-708. KLAINE, Stephen J., et al. Nanomaterials in the environment: behavior, fate, bioavailability, and effects. Environmental Toxicology and Chemistry, 2008, vol. 27, no 9, p. 1825-1851.
83
KOERNER J. R., SOONG T. Y., y KOERNER R. M. A Survey of Solid Waste Landfill Liner and Cover Regulations: Part I-USA Status. GeosyntheticsResearchInstitute. 2008. KORNMANN X., BERGLUND L. A., y STERTE J. Nanocompuestos basados en poliéster montmorillonita e insaturados. PolymerEngineering and Science. 2008. Vol. 38. No. 8. Pág. 1351-1358. LEBARON P. C., WANG Z. y PINNAVAIA T. J. Polímero capas de silicato de nanocompuestos: Una visión general. 2009. Applied Clay Science. Vol. 15. No. 1-2. Pág. 11-29. LO I. M.C. Innovative waste containment barriers for subsurface pollution control. Practice Periodical of Hazardous, Toxic,and Radioactive Waste Management. 2003. Vol. 7. No. 1., Pág. 37-45. MALUSIS M. A. Comportamiento de membrana y transporte de solutos Junto a través de una línea de geosintéticos de arcilla. Tesis Doctoral. Colorado StateUniversity. Fort Collins. Colorado, USA. 2009. MALUSIS M. A., y SHACKELFORD C. D. La predicción de flujo de soluto a través de una barrera de membrana arcilla. Journal of Geotechnical and GeoenvironmentalEngineering. 2010. Vol. 130. No. 5. Pág. 477-487. MEYER M. T., BUMGARNER J. E., DAUGHTRIDGE J. V., KOLPIN D., THURMAN E. M., HOSTETLER K. A. La aparición de los antibióticos en los desechos líquidos en operaciones de alimentación de animales confinados y en aguas superficiales y subterráneas. Proceedings, Effects of Animal Feeding Operations on Water Resources and the Environment.U.S. Geological Survey. 2009. 45p. MEYER M. T., BUMGARNER J. E., VARNS, J. L., DAUGHTRIDGE J. V., THURMAN E. M., HOSTETLER K. A. El uso de radioinmunoensayo como pantalla para los antibióticos en las operaciones de alimentación de animales confinados y confirmación mediante cromatografía líquida / espectrometría de masas. Science of the Total Environment. Vol. 248. No. 2. Pág. 181-187. MITCHELL J. K. A brief history of environmental geotechnics.Geo-Strata, ASCE, Reston, Virginia, USA, October2002. Pág. 26-30. MITCHELL J. K. y SANTAMARINA C. J. Consideraciones biológicas en ingeniería geotécnica. Journal of Geotechnical and GeoenvironmentalEngineering. 2011. Vol. 131. No. 5. OCHOLA C. y MOO-YOUNG H. K. Evaluación de la atenuación de metal a través de la arcilla de papel utilizado para la contención de agua subterránea
84
contaminada. 2004. Journal of Environmental Engineering. Vol. 130.No. 8.Pág.873-880. PARENT S.E., y CABRAL A. Material selection for the design of inclined covers with capillary barrier effect. WasteContainment and Remediation (ASCE GeotechnicalSpecialPublication No. 47). 2005. PARK H. I., LEE S. R., y DO N. M. Evaluación del efecto de la descomposición en la predicción de solución a largo plazo para nuevos vertederos de residuos sólidos urbanos. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. Vol. 128. No. 2. Pág. 107-118. POHLAND F. G. Lixiviados de reciclaje como opción de gestión de vertederos. 1999. Journal of Environmental Engineering. Vol. 106.No. 6.Pág.1057-1069. REDDI L. N. y DAVALOS H. Animal waste containment in anaerobic lagoons lined with compacted clays. Journal of Geotechnical and GeoenvironmentalEngineering. 2010. Vol. 126. No. 3. Pág. 257-264. REDDY K. R. y BOGNER J. E. Ingeniería vertedero Biorreactor para la estabilización acelerada de los residuos sólidos municipales. 2005. WasteContainment and Remediation. REINHART D. R., MCCREANOR P. T., y TOWNSEND T. El relleno biorreactor: Su situación y el futuro. 2008. Waste Management &Research. Vol. 20. No. 2. Pág. 172-186. SARAHNEY H. y ALSHAWABKEH A. N. Posible uso de la electrocinética para remediar suelos con benceno. Waste Containment and Remediation. 2005. SCANLON B., CHRISTMAN M., FEEDY R., PORRO I., SIMUNEK J., y FLERCHINGER G. Intercode comparisons for simulating water balance of surficial sediments in semiarid regions. 2012. Water Resources Research. Vol. 38.No. 12.Pág. 1323-1339. SHACKELFORD C. D, BENSON C. H., KATSUMI T., EDIL T. B., y LIN, L. Evaluating the hydraulic conductivity of GCLs permeated with non-standard liquids, Geotextiles and Geomembranes, Elsevier, Amsterdam. 2000. Vo.18. No. 2-4. Pág. 133-161. SPONZA D. T., y AGDAD O. N. Impact of leachate recirculation and recirculation volume on stabilization of municipal solid wastes in simulated anaerobic bioreactors. Process Biochemistry. 2004. Vol. 39. No. 12. Pág. 2157-2165.
85
TOM P. A. ID+D en ascenso; Industria de los residuos, el avance en la normatividad..WasteAge, October 2004. New York. Pag. 22-24. VESILIND, P. Aarne; MORGAN, Susan M.; HEINE, Lauren G. Introduction to Environmental Engineering-SI Version: SI Edition. Cengage Learning, 2010. WU X., ALSHAWABKEH A. N., GENT D., y LARSON S. Las tasas de transformación de lactato y el transporte en el suelo bajo los campos de corriente continua. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2005. YEO S.S. Conductividad hidráulica, consolidación y membrana Comportamiento del Modelo mezclas de lechada de relleno-verticales de corte Walls. Tesis de Maestría. Colorado StateUniversity, Fort Collins. Colorado, USA. 2003. YEO S.S., SHACKELFORD C.D., y EVANS J. C. Membrane behavior of model soil-bentonite backfills. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2005. Vol. 131. No. 4.