MODELO DE LA ESTRUCTURA DEL PROYECTO DE TESIS (ANEXO 2)

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BIORREMEDIACIÓN DE SUELO CONTAMINADO CON HIDROCARBUROS APLICANDO LODOS DE PTAR

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN

TPH en el ambiente del suelo puede ocurrir a partir de tuberías reventones, deposición de

residuos después de la perforación de pozos petroleros y de gas, accidentes de tráfico,

fugas en los tanques subterráneos de almacenamiento, cultivo de la tierra y vertedero

incontrolado ( Chaineau et al., 2003 ). En retrospectiva, es interesante notar que una vez

se pensó que una cierta cantidad de TPH podría servir como fertilizante y estimular el

crecimiento de las plantas y de los animales ( Carr, 1919 , Murphy y Riley, 1929 y

Mackin, 1950 ). Y ( Kisic et al., 2009 ) concluyó que el suelo en cantidades por debajo de

5 g / kg de suelo de TPH, se degradan muy lentamente y, de acuerdo con los resultados

de la investigación disponibles, no son perjudiciales para los cultivos. La Biorremediación

de suelos contaminados con productos derivados del petróleo es una tecnología que

puede restaurar los suelos degradados. El uso de materiales reciclables, como lodos

municipales estabilizado estimula el crecimiento de las plantas en la tierra contaminada de

petróleo crudo es una sencilla gestión conjunta sostenible de los residuos ( Masu et al.,

2014).

I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1 Determinación del problema

La contaminación del suelo por hidrocarburos ocurre durante su explotación,

transporte y por rupturas de los ductos; los derrames de estos combustibles

ocasionan graves problemas sobre todo si el suelo es permeable porque la

contaminación puede extenderse rápidamente (Saval, 1998). A nivel mundial, el

volumen de derrame de petróleo es de 1.7 a 8.8 millones de toneladas métricas

por año (Leahy y Colwell, 1990) y en nuestra región (Pacífico Sudeste) es de 6000

toneladas métricas al año (Ramorino, 1989). Actualmente en Perú la producción

de Hidrocarburos (petróleo, Líquido de gas natural y gas natural) durante los años

2012 y 2013 incrementó desde 342 MBOED (miles de barriles equivalentes de

petróleo diarios) en el año 2011 a 370 MBOED a octubre 2013; esto equivale a

8.2% de incremento (Ministerio de Energía y Minas); es decir que la explotación y

exploración de Hidrocarburos va en aumento y con ello el daño al medio ambiente,

es así que desde 1978 se registran derrames de petróleo y uno de ellos fue lo

ocurrido en al año 2000 en el rio Marañón que afecto la Reserva Pacaya-Samiria,

pero no sólo derrames mayores causan contaminación sino también los

constantes derrames accidentales en suelos de nuestra selva, los que se producen

por el rompimiento del oleoducto Norperuano, debido a accidentes naturales y por

la actividad extractiva (Merino, 1998).

1.2 Formulación del problema

Se podrá recuperar los suelos contaminados con petróleo crudo mediante el

método de la biorremediación aplicando 10% lodos de PTAR hasta por debajo de

la ECA suelos?

1.3 Objetivos de la investigación

Objetivo general

Contribuir con la solución de la contaminación de suelo por derrame de petróleo

crudo generado por las actividades de explotación y exploración de Hidrocarburos.

Objetivo específico

Diseñar un modelo piloto del sistema de tratamiento de biorremediación de suelos

contaminados con hidrocarburos mediante la bioestimulación con lodos de PTAR,

para las pruebas experimentales de remoción de contaminantes.

Demostrar que el tratamiento de suelos contaminados con hidrocarburos mediante

el sistema de biorremediación con lodos de PTAR es eficiente.

Demostrar que el tratamiento de biorremediación con lodos de PTAR puede

remedia el suelo contaminado por hidrocarburos hasta por debajo de la ECA suelo.

1.4 Justificación

Justificación teórica

La contaminación del suelo por hidrocarburos del petróleo es uno de los problemas

ambientales más comunes en el mundo (US EPA 2000). Hidrocarburos totales de

petróleo (HTP) son uno de los grupos más comunes de los contaminantes

orgánicos persistentes (Huang et al. 2005). Los contaminantes presentes en los

suelos pueden entrar en la cadena alimentaria y afectar gravemente a la salud

animal y humana (Khan 2005) y han reducido considerablemente su capacidad

natural para sostener a una gran variedad de organismos, restringiendo su

capacidad original a tan sólo algunas bacterias oleofílicas, dejando los suelos

inutilizables para cualquier tipo de actividad productiva que se quiera realizar

(Guerrero, 2002). Por lo tanto, las soluciones adecuadas para la eliminación o

control de estos contaminantes del suelo pueden ser Métodos físicos y químicos

son adecuados para la descontaminación de áreas relativamente pequeñas,

mientras que son muy caros de usar en grandes áreas, tales como los

contaminados por sustancias industriales, productos derivados del petróleo y los

yacimientos mineros (Chekol et al. 2004; Escalante-Espinosa. et al 2005). La

biorremediación es una tecnología relativamente nueva, eficiente, ecológica y

prometedora para eliminar muchos contaminantes tales como hidrocarburos

contaminantes.

Justificación práctica

La biorremediación, mediante la aplicación de bioestimulado con los Lodos de

PTAR, constituye en una técnica de bajo costo por el acceso al insumo

remediador. Si se logra llevar a nivel no solo de laboratorio, si no de manera

industrial y funcional; será un logro importante, pues existen gran cantidad de

suelos contaminados por hidrocarburos.

Justificación metodológica

La metodología a emplear es del tipo experimental, ya que se tiene muestra de

suelos contaminados por hidrocarburos, a las que se les va a remediar mediante el

método de biorremediación con bioestimulado con lodos de PTAR, con un

tratamiento de 10% lodos de PTAR y como indicador se va medir los HTPs.

Justificación económica

Existen muchos métodos de remediación de suelo físicos y químicos pero los

costos son muy altos si se quiere emplear a gran escala, por lo que es necesario

buscar métodos de bajo costo y fácil acceso, como el que empleamos en este

trabajo lodos de PTAR.

II. MARCO TEÓRICO

2.1 Antecedentes del estudio

En el Perú, la normativa ambiental relacionada al manejo de los hidrocarburos de

petróleo en nuestro país es propuesta por el Ministerio de Energía y Minas (MEM),

autoridad ambiental competente para las actividades del sector hidrocarburos

competente para las actividades del sector hidrocarburos de acuerdo al D.S. Nº

053-99-EM del 28 de setiembre de 1999. La Ley Orgánica de Hidrocarburos Ley #

26221 del 13 de agosto de 1993, y sus normas modificatorias (Ley # 26734 del

31/12/96 y Ley # del 07/12/2000), es la norma base que regula las actividades de

hidrocarburos en el territorio nacional. El artículo 872 de esta ley establece que las

personas naturales o jurídicas que desarrollen actividades de hidrocarburos

deberán cumplir con las disposiciones sobre protección al medio ambiente, las

cuales se detallan en el Reglamento de Protección Ambiental de las Actividades

de Hidrocarburos -D.S. N 046-93-EM (12)11/93) y normas modificatorias (D.S. #

009-95-EM del 13/05/95, D.S. # 053-99-EM del 27/09/99 y D.S. # 003-2002- EM

del 27/01/02).

El MEM a través de su “Guía Ambiental para la Restauración de Suelos en

Instalaciones de Refinación y Producción Petrolera” y su “Guía para el Manejo de

Desechos de las Refinerías de Petróleo” también recomienda el empleo de

diferentes técnicas para la recuperación de suelos contaminados con

hidrocarburos, entre las que se encuentran las técnicas biológicas, como la

biorremediacion, fitorremediación, así como la técnica de landfarming.

Cooney et, al. (1985), afirma que el petróleo es una mezcla altamente compleja

compuesta por una gran variedad de hidrocarburos. Los hidrocarburos son

compuestos orgánicos formados solamente por hidrogeno y carbono, tanto el

petróleo crudo como sus derivados contienen diversos tipos de hidrocarburos

cuyas proporciones relativas varían entre las diferentes clases de estos

compuestos.

2.2 Marco teórico o marco conceptual o marco filosófico (según sea el caso)

Hidrocarburos

Espinoza, (2011). Los hidrocarburos son compuestos orgánicos formados

únicamente por átomos de carbono e hidrogeno. La estructura molecular consiste

en un armazón de átomos de carbono a los que se unen los átomos de hidrogeno.

Los hidrocarburos son compuestos básicos de la de la química orgánica. Las

cadenas de átomos de carbono pueden ser lineales, ramificadas, abiertas y

cerradas.

Escalante, (2000). El hidrocarburo de petróleo crudo y sus productos refinados

pueden dividirse en cuatro grupos: hidrocarburos alifáticos, hidrocarburos cíclicos,

hidrocarburos aromáticos y compuestos orgánicos polares.

Los hidrocarburos alifáticos o de cadena abierta se dividen a su vez en tres

grupos, en función del enlace entre dos átomos de carbono: alcanos (enlace

simple), alquenos (enlace doble) y alquinos (enlace triple). Los compuestos

alifáticos más comunes son los alcanos, los cuales pueden encontrarse en el

petróleo crudo conformando cadenas de cinco a más de treinta y cinco átomos de

carbono.

Los hidrocarburos cíclicos son también componentes comunes del petróleo y

pueden tener estructuras mono cíclicas, bicíclicas o de más anillos. Los

hidrocarburos aromáticos incluyen compuestos mono aromáticos como el

benceno y el tolueno, y compuestos poliaromáticos como el pireno. En éste grupo

se encuentran los hidrocarburos aromátícos policíclicos (HAP), moléculas

formadas por múltiples anillos aromáticos representan entre el 0,2 al 7% del

petróleo crudo. Los HAP poseen una limitada solubilidad en agua, se absorben

fuertemente al suelo y se degradan a velocidades menores que los hidrocarburos

mono aromáticos.

Impacto de los hidrocarburos en el suelo.

El suelo es un cuerpo natural que es parte integrante del escenario donde ocurren

los ciclos biogeoquímicos, hidrológicos y de la cadena alimentaria. Asimismo, es el

espacio donde se realizan actividades agrícolas y ganaderas, y es la base para el

establecimiento de áreas verdes. El suelo es un recurso natural complejo,

dinámico y su equilibrio depende de la interacción entre sus propiedades físicas,

químicas y biológicas.

Escalante, (2000). Los factores que afectan la distribución de los hidrocarburos en

los suelos son principalmente el volumen del derrame, la viscosidad del petróleo a

la temperatura prevaleciente en el ambiente y la composición del suelo. Los

compuestos de alta viscosidad como el crudo pesado tienden a moverse

horizontalmente, mientras que la gasolina y aceites de baja viscosidad penetran

fácilmente en el suelo. El paso de los hidrocarburos a través de la matriz del suelo

(lixiviación) depende a su vez de la textura del suelo y la solubilidad de los

hidrocarburos en agua. En suelos arcillosos la migración de partículas es más

rápida que en suelos francos, dado que los primeros tienen una mayor porosidad

(Morgan et al., 1989). Además, en suelos muy arcillosos las moléculas polares

pueden ser adsorbidas. Menos del 5% de los compuestos del crudo o productos

refinados (principalmente aromáticos de bajo peso molecular e hidrocarburos

polares) son solubles en agua (Escalante, 2000).

Luego, gran parte de los hidrocarburos queda retenida en el suelo. La actividad

microbiana transforma los hidrocarburos en metabolitos más solubles y por lo

tanto más móviles en el suelo, favoreciendo su solubilización y lixiviación.

Factores del proceso de remediación.

Los principales factores que determinan el proceso de degradación son:

o pH

Para mantener el crecimiento de los microorganismos degradadores de

hidrocarburos, el pH del suelo debe tener valores en el rango de 6 - 8 (USEPA,

2003). Valores de pH mayores a 6,5 minimizan la solubilización y migración de los

metales pesados y proveen las condiciones óptimas para la biodegradación. Si los

suelos tuvieran valores de pH muy bajos se sugiere emplear cal como material

encalante.

o Temperatura (T)

La temperatura tiene una influencia importante en la tasa de degradación de los

hidrocarburos, debido a que el crecimiento y la actividad metabólica de los

microorganismos están en función de la misma. La USEPA (2003) indica que en el

rango de 10 a 45°C, la actividad microbiana se duplica cada 10 °C, siendo el rango

óptimo para el proceso de biorremediacion.

Importancia de los microorganismos en la descomposición de materia orgánica.

Existen microorganismos en el aire, en el suelo, en nuestros intestinos, en los

alimentos que consumimos, en el agua que bebemos. Los microorganismos

existentes en la materia orgánica (Estiercol y aserrines) restablece el equilibrio

microbiológico del suelo, mejorando sus condiciones físico-químicos,

incrementando la reducción de la contaminación del suelo, incrementando la

producción de cultivos y su protección. Así mismo aumenta de la velocidad y

porcentaje de germinación de las semillas, por su efecto hormonal, similar al del

ácido giberélico.

Las bacterias del genero pseudomonas spp, son un grupo de microorganismos

independientes y autosuficientes.La pseudomonas spp, son microorganismos

benéficos de origen natural.

Estas bacterias sintetizan substancias útiles a partir de las secreciones de las

raíces, materia orgánica y/o gases nocivos (sulfuro de hidrogeno), usando la luz

solar y el calor del suelo como fuentes de energía.

Lodos activados

Material que consiste, sobre todo, de protozoarios y bacterias; se usa para el

tratamiento de las aguas residuales. Cuando se mezcla con las aguas residuales

que han sido aereadas, dichos organismos degradan la materia orgánica presente

y la utilizan como alimento; de esta manera se multiplican y producen más lodos

activados.

Técnicas de recuperación de suelos contaminados

Uno de los problemas ambientales más importantes es la contaminación de

ecosistemas terrestres por derrames de hidrocarburos del petróleo y sus

derivados, los cuales ocurren por explotación y transporte de los mismos (Pardo

et al., 2004). Las técnicas de remediación representan el conjunto de operaciones

que alteran la composición de una sustancia peligrosa o contaminante a través de

acciones químicas, físicas o biológicas, de manera que se reduzca su toxicidad, su

movilidad, y el volumen del material contaminado (Harrison, 1999).

El tratamiento de suelos contaminados se realiza mediante métodos ex situ e in

situ. El uso del método depende de las condiciones del área contaminada, el

volumen de suelo y espacio necesario para aplicar la técnica adecuada. En el

tratamiento ex situ el suelo se excava y se transporta, y su manejo es controlado

durante corto tiempo; sin embargo, su costo es más elevado (Volke y Velasco,

2002). Dentro de los tratamientos que destacan se encuentra la incineración a

1,000 °C ó 2,500 °C, en suelos que se encuentran severamente contaminados con

dioxinas. Además, la solidificación es una técnica que comúnmente se hace con

cemento u otros agentes aglomerantes, y se utiliza principalmente para metales

pesados (Harrison, 1999). Algunos suelos son transportados a una planta de

limpieza o a un biorreactor. El suelo se lava con un producto extractor

(generalmente es un ácido, un agente de formación de quelatos o un surfactante)

para eliminar determinados contaminantes orgánicos e inorgánicos. Los

biorreactores disponen por lo general de un recipiente en el que se puede agitar

una suspensión de suelo y agua, que se somete a las mejores condiciones para la

degradación de contaminantes orgánicos. Generalmente, los organismos ya

existentes en los biorreactores son suficientes para llevar a cabo la degradación;

sin embargo, también se pueden inocular microorganismos alóctonos (Castillo et

al., 2005).

Además, la biodegradación se puede lograr al extender el suelo en camas o en

pilas denominadas biopilas, en una zona en la que se maneja fácilmente y

permanezca a una temperatura constante (Gómez, 2004).

El método in situ corresponde a tratamientos que no requieren excavación y

transporte del suelo, por lo que sus costos son menores (Harrison, 1999;

SEMARNAT, 2010), y está representado por tratamientos físicos, químicos y

biológicos (Cuadro 3.1). Dentro de los métodos físicos o químicos destacan los

siguientes tratamientos:

o Lavado.

El lavado del suelo puede realizarse estableciendo sistemas de riego por

aspersión que permitan irrigar el suelo con diferentes soluciones extractantes que

pueden ser ácidos diluidos o agentes quelantes para lavar metales pesados. Los

lixiviados son llevados a una laguna en donde se extrae el contaminante por medio

de resinas intercambiadoras de iones, quelatación, o por precipitación (Volke et al.,

2005).

o Aplicación de vapor al suelo.

Este tratamiento se aplica a suelos contaminados con compuestos volátiles, y es

solamente válido para suelos con una permeabilidad relativamente alta,

macroporosidad elevada y/o fisuras. El tratamiento inserta un sistema de tuberías

en el suelo contaminado de modo que permita la entrada de aire a través del suelo

mediante el uso de una bomba de vacío. El aire extraído contiene los compuestos

volátiles y posteriormente, se hace pasar a través de una columna de carbono

activado en la que se absorben los contaminantes orgánicos (Volke y Velasco,

2002).

Por su parte, los métodos biológicos más usados hoy en día para la recuperación

de suelos contaminados con sustancias químicas orgánicas e hidrocarburos de

petróleo corresponden a la biorremediación y la fitorremediación.

Biorremediación

La biorremediación de sitios contaminados es una opción que representa ventajas

con respecto a los métodos físicos y químicos, debido a que es de bajo costo,

beneficia al ambiente, y requiere de un mínimo o ningún tratamiento posterior

(Volke y Velasco, 2002). La biorremediación se centra en la explotación de la

diversidad genética y versatilidad metabólica que caracteriza a los

microorganismos los cuales transforman los contaminantes y los integran a los

ciclos biogeoquímicos naturales (Garbisu et al., 2002). Muchos contaminantes

orgánicos pueden ser degradados de forma muy efectiva optimizando las

condiciones del suelo para los microorganismos, mediante el ajuste de pH,

temperatura y el suministro de nutrientes, al mismo tiempo que se favorece la

aireación del suelo con técnicas de cultivo adecuadas (Harrison, 1999). La

aplicabilidad de esta técnica depende de las propiedades del contaminante

(biodegradabilidad) (Volke et al., 2005).

Los hidrocarburos lineales como los alcanos sufren una biodegradación más

rápida al igual que aquellos que tienen una longitud de cadena menor, ya que su

hidrosolubilidad aumenta y la microbiota los toma fácilmente como fuente de

carbono. En contraste los hidrocarburos constituidos por estructuras aromáticas,

así como los que presentan configuraciones ramificadas, son más resistentes a

estos mecanismos de biodegradación por la energía que se requiere para romper

los enlaces (Botello et al., 2006). La biorremediación se puede realizar ex situ

mediante el uso de biorreactores e in situ por medio de la bioestimulación y la

biaumentación con microorganismos nativos o incluso con aquellos modificados

enéticamente (Castillo et al.,2005).

III. VARIABLES E HIPÓTESIS

3.1 Definición de las variables

Variable independiente:

X=biorremediacióncon lodos de PTAR

Indicadores:

Variables dependientes:

Y=Suelo contaminado con petróleo crudo

Indicadores:

3.2 Operacionalización de variables

3.3 Hipótesis general e hipótesis específicas

Los suelos contaminados por derrame de petróleo crudo generados por las

actividades extractivas y explorativas de Hidrocarburos al ser biorremediado

mediante la bioestimulación con lodos de PTAR cumplirán con la ECA del suelo y

podrán usarse como suelo agrícola y/o recuperar el suelo para regenerar el

ecosistema dañado por la contaminación.

Cantidad de Lodo (Kg) X1

Tiempo de remediación (días) X2

Concentración de Hidrocarburos (THPs) Y 1

Conductividad Y 2

Temperatura Y 3

pH Y 4

IV. METODOLOGÍA

4.1 Tipo de investigación

Según las variables:

Experimental Cuasi experimental Simple y compleja

Según la fuente de información:

Investigación documental Investigación de Campo.

Según la extensión del estudio:

Investigación censal Investigación de caso Encuesta

Según el nivel de medición y análisis de la información:

Investigación cuantitativa Investigación cualitativa Investigación cuali-cuantitativa Investigación descriptiva Investigación explicativa

Según las técnicas de obtención de datos:

Investigación de alta y baja estructuración Investigación participante Investigación participativa Investigación proyectiva Investigación de alta o baja interferencia.

Según su ubicación temporal:

Investigación histórica Investigación longitudinal o transversal Investigación dinámica o estática.

Según el objeto de estudio:

Investigación pura Investigación aplicada.

4.2 Diseño de la investigación

Experimento a escala piloto

Se diseñó un balde de 20L y en cada uno de los depósitos se tratará suelo

contaminado homogenizado de 10kg (suponiendo que la densidad del suelo de 1,3

t / m 3).

El tratamientos consiste aplicar en función de la adición 10% lodos de PTAR; (un

balde con la muestras blanca y el otro con la adición de lodo).

Preparación de suelo contaminado para su tratamiento

El suelo utilizado para el experimento fue traído de …………………….. El suelo se

tamizó a través de una pantalla de 2 mm pues en la mayoría de los estudios, el

suelo se tamiza a través de un tamiz de 2 mm que, según AASHTO (American

Association of State Highway and Transportation Officials) y normas del Instituto

de Tecnología de Massachusetts, representa el límite entre las partículas de arena

y grava (Tahooni 2000).Y a un balde se añadió 10% lodo. La mezcla de suelo se

introdujo al balde a una columna de suelo de 35 cm de altura (aproximadamente

10 kg de suelo por depósito).

4.3 Población y muestra

El suelo que se a utilizar va dentro de una balde en el cual se va a mezclar con el

10% de lodo de PTAR, este va estar ubicado a espaldas de la facultad de

Administración.

4.4 Técnicas e instrumentos de recolección de datos.

Medición de pH

Método

El método utilizado para esta medición es el gravimétrico, para determinar

únicamente la cantidad de agua de los suelos.

Medición de Conductividad

Método

El método de la conductividad eléctrica se realiza por medio de un conductímetro

sobre una muestra de agua o extracto de suelo.

Medición de Temperatura

Método

El método para medir la temperatura se realiza con un termometro sobre una

muestra de agua o extracto de suelo.

Medición de THPs

Método

Para extraer los hidrocarburos de suelos contaminados se utiliza el método de

reflujo con equipo Soxhlet o agitación-centrifugación, tomando como referencia los

métodos D5369-93 de la ASTM (2003) y 3540C y 3541 de la US EPA (1996,

1994).

4.5 Plan de análisis estadísticos de datos

V. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

Actividad Fecha

INTRODUCCIÓN

I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

28 nov 2014

II. MARCO TEÓRICO 5 dic 2014

III. VARIABLES E HIPÓTESIS 12 dic 2014

IV. METODOLOGÍA 19 dic 2014

Ensamblado de la caja

Mezcla del suelo con el lodo

Toma de muestras

Analisis de muestras

1ra aeración

Resultados

VI. PRESUPUESTO

Materiales Costo (soles)

Guantes de nitrilo 14

Mascarillas 3m para gases orgánicos 33

Gafas protectoras 20

Mandil 15

Bolsas de muestreo 10

Termómetro 20

Espátula de mano 12

Tierra contaminada -

Caja de madera 5

pH chimetro de bolsillo 120

Analisis de TPH 360 quincenal

Total -

VII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Tahooni, S. 2000. Principios de la Ingeniería de la Fundación. Pars Aain Prensa,

Teherán. 934 p.

ANEXOS

Matriz de Consistencia

Esquema tentativo de la tesis

Consentimiento informado