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INTRODUCCIÓN
La biorremediación es un método de saneamiento ambiental dentro de las estrategias de remediación basado en el uso de organismos para degradar desechos orgánicos o inorgánicos peligrosos y transformarlos en compuestos menos contaminantes o no contaminantes, como parte de su metabolismo (Abad, 2017). Estos cambios en las propiedades físico-químicas son importantes, ya que en términos generales determinarán la toxicidad de los hidrocarburos y el comportamiento de éstos (Van Deuren et al., 1997). La biorremediación mediante el empleo de biopilas involucra interacciones complejas de procesos biológicos, químicos y físicos debido a la oxidación aeróbica de los hidrocarburos que requieren de la integración de fenómenos que ocurren a escala microscópica como a gran escala (Rodríguez, 2017). Estas consisten en un proceso de descomposición biológica desarrollado en una pila aireada donde la tierra se mezcla con agentes de modificación en un área de tratamiento (EPA, 2017). El compostaje efectivo se puede lograr proporcionando condiciones ambientales óptimas para los descomponedores. La temperatura, contenido de humedad, relación carbono-nitrógeno, nivel de pH, velocidad de aireación y la estructura física de los materiales orgánicos son factores importantes que influyen en la velocidad y la eficiencia del compostaje (Mustafić et al., 2017).
Los cambios en la temperatura ambiental provocan variaciones en la temperatura de la pila, por lo que habrá ciertos períodos en el año en el cual el crecimiento bacteriano y por tanto la degradación de constituyentes aumentará o disminuirá, según el comportamiento de la temperatura ambiental. El contenido de humedad pude verse alterado por las precipitaciones que caen en el área de la biopila y a su vez causan erosión. También es afectada por los vientos en diferentes condiciones climáticas la cual puede ser limitada aplicando humedad periódicamente a la superficie de la biopila (Martínez et al., 2017). Esta es de vital importancia ya que cantidades suficientes de agua deben estar presentes en el suelo para garantizar la actividad microbiológica. La ausencia de esta puede inhibir la actividad de los microorganismos, mientras que un exceso de la misma puede evitar la difusión de oxígeno hacia los microorganismos (Bahmani et al., 2018).
Dentro de la problemática descrita, el presente trabajo tiene como objetivo evaluar el comportamiento de los factores abióticos y su relación con variables climáticas y el tipo de material texturizante en el proceso de biorremediación de residuos petrolizados mediante la ecotecnología de biopilas a escala semi-piloto.
MATERIALES Y MÉTODOS
El proceso de monitoreo y control de los factores abióticos fue realizado en el marco correspondiente a la primera fase del proyecto: “Evaluación a escala piloto de la ecotecnología de biopilas para la biorremediación de residuos petrolizados utilizando texturizantes locales”. En esta primera fase del proyecto se evaluó, en un período de 365 días, la biodegradación de grasas y aceites (GyA) e hidrocarburos totales del petróleo (HTP) en un suelo pardo grisáceo con características arena-arcillo-limoso de baja plasticidad con una permeabilidad (Kf) de 1x10-1 a 1x10-5, pH=5,72, con una concentración total de metales pesados de 1 951,49 mg/kg y con un contenido de nitrógeno y fósforo de 1,98 y 1,24 mg/g respectivamente. El mismo fue contaminado con 26230,4 mg/kg y 10626,8 mg/kg de GyA e HTP respectivamente, de un residuo petrolizado característico de la Refinería “Camilo Cienfuegos”. Se realizaron 7 tratamientos en forma de pirámide truncada con una altura de 20 cm y un ángulo de 45o, los cuales estuvieron constituidos por una mezcla de suelo, hidrocarburo y un tipo de texturizante en base húmeda (pulpa de café (PC), estiércol vacuno (EV), cachaza, serrín, Thalassia testudinum y bagazo), en una relación 10:1,5:1. El otro tratamiento utilizado fue el nombrado “control”, que estuvo constituido solamente por la mezcla de suelo e hidrocarburo. Los tratamientos fueron homogenizados y aireados manualmente en una frecuencia de 15 días y se humectaron los mismos cada 4 días.
Para la evaluación del comportamiento de los factores abióticos, tales como la temperatura (T), humedad (H) y el potencial de hidrógeno (pH), se realizó un monitoreo semanal de los mismos correspondientes al período de un año el cual fue registrado en una hoja de chequeo. La temperatura fue medida con un termómetro de escala de 0-50oC con un error de estimación de ±0,1oC, marca Silber Brand, en el centro de la biopila, cuidando que el orificio de introducción del termómetro no tuviese un diámetro muy ancho para que no se disipara la temperatura. El valor de la temperatura fue tomado aproximadamente 10 minutos después de haber introducido el termómetro para garantizar la estabilización de la medición.
Para el monitoreo del pH y de la humedad se tomaron pequeñas submuestras de profundidad y superficie alternando en 5 puntos dispuestos en las diagonales que se correspondan, cuatro de ellos en las esquinas y uno en el centro de las biopilas. A partir de estas submuestras se conformó una muestra compuesta homogenizando bien las porciones de suelo tomadas y realizando un cuarteo para la selección de 3 g para el análisis de pH y para la determinación del porcentaje de humedad. La caracterización con respecto a los valores de pH y el porcentaje de humedad se realizaron de acuerdo con las normas cubanas 2001: 2015 y 110: 2011 de calidad del suelo respectivamente. Además, se tomaron datos semanales correspondientes a las variables de temperatura media (°C), humedad relativa media (%), precipitación (mm) y viento medio (km/h) durante el período experimentación, de los registros de la estación meteorológica “La Piedra” ubicada en Carretera a Jibacoa, km 4, Manicaragua, Villa Clara.
Los datos fueron procesados estadísticamente utilizando el software Statgraphics Centurion versión 16.1.18. Se llevó a cabo un análisis de varianza ANOVA para cada variable de análisis con el objetivo de determinar las diferencias significativas entre las medias de los tratamientos. Se realizaron análisis para la identificación de datos aberrantes aplicando la Prueba de Grubb. Se realizaron gráficas de cajas y bigotes para conocer cuáles eran las medias significativamente diferentes de otras. Además, se utilizaron pruebas gráficas y tabulares para verificar el cumplimiento de supuestos subyacentes al análisis de varianza. Para evaluar la incidencia de las variables climáticas sobre el comportamiento de los factores abióticos se aplicó el procedimiento de análisis multivariado para verificar la relación de las variables T, H y pH de las biopilas, con las variables climáticas analizadas.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Del análisis de varianza realizado se obtuvo que no existen diferencias estadísticas significativas entre los diferentes tratamientos para la variable temperatura (valor- p>0,05 con un 95% de confianza). Lo anterior sugiere que dicha variable no está influenciada por el tipo de material texturizante. Sin embargo, las variables pH y H no se comportaron de igual manera, puesto que presentaron valores-p iguales a 0, indicando la existencia de diferencias estadísticas significativas. Por tanto, el tipo de material texturizante en la mezcla se relaciona con la existencia de cambios significativos en las variables H y el pH con un 95% de confianza. A continuación, se realiza un análisis por separado de cada una de las variables en la frecuencia pH, Humedad y Temperatura respectivamente.
3.1 pH
En la (Fig. 1) se muestra el comportamiento de los valores de pH de todos los tratamientos en función de los muestreos semanales consecutivos. En el período correspondiente a los primeros 135 días, se observó irregularidad en los valores de pH con una tendencia de la disminución de estos. Este resultado podría explicarse por la producción de ácidos orgánicos, CO2 disuelto en el medio y subproductos de la degradación de compuestos fácilmente biodegradables (Ma et al., 2016). A partir de los 135 días se comienza a observar un aumento progresivo en el comportamiento del pH para todos los tratamientos, lo cual pudiera estar relacionado con la producción de amoniaco a partir de la degradación de las aminas (Majbar et al., 2018), como producto del agotamiento de los carbohidratos disponibles como fuente de energía. Por lo general, el pH se comportó en el intervalo de 6 a 8 marcado como los límites inferior y superior, requerido para la ecotecnología de biopilas (Osoria, 2018), con excepción del Control que superó frecuentemente el valor de 8, predominando en el período un pH básico para dicho tratamiento. Lo anterior, podría indicar una baja capacidad tampón del suelo contaminado, la cual es dependiente de la cantidad de materia orgánica y las arcillas, quienes reducen los cambios en el pH (Vallejo y col., 2016).
En la (Fig. 2) se muestran los diagramas de caja y bigotes para determinar qué medias son significativamente diferentes de cuáles otras.
Fig. 2 Diagramas de caja y bigotes, a) diagramas de caja y bigote para el pH entre tratamientos, b) diagramas de caja y bigote para la humedad entre tratamientos
Del análisis de la (Fig. 2 a) se lograron identificar 5 grupos homogéneos según la coincidencia de las muescas de cada par de medianas para cada tratamiento. Este comportamiento del pH entre tratamientos puede estar relacionado con el tamaño de partícula de cada texturizante ya que a mayor tamaño la degradación es más lenta y los cambios en el pH producidos por la fermentación son menores (Ordaz y col., 2011).
3.2 Humedad
En la (Fig. 3) se muestra cada uno de los porcientos de las humedades registradas en los monitoreos correspondientes a los 365 días estudiados. Se aprecia que existen dos observaciones menos debido a que no se pudieron realizar las mediciones correspondientes por problemas técnicos y debido a que la humedad reportó para todos los tratamientos valores por encima del 40% en uno de los monitoreos. Esto último pudo ser identificado mediante el análisis de la (Fig. 2b), en la cual se aprecian 9 puntos muy alejados que pueden indicar valores aberrantes La razón por la cual esta semana fue excluida del análisis es que: según la prueba de Grubb para la identificación de valores atípicos (valor-p < 0,05), dicha observación para cada uno de los tratamientos constituyó un valor aberrante significativo con un nivel de confianza del 95%. Ello significa que existió una causa de variación que influyó en el comportamiento de la variable humedad.
Se observa que la humedad no fue constante durante el tratamiento, registrándose valores mínimos de 7% para el tratamiento con pulpa de café y valores máximos de 34% para el tratamiento con bagazo. El aumento de la humedad puede estar relacionado con la actividad metabólica de los microorganismos ya que se pueden producir de 0,5-0,6 g de H2O por gramo de sólidos volátiles descompuestos. Las biopilas, a su vez, se secan producto de los flujos de aire producidos por la convección natural evaporando parte del agua presente en los poros del material, el cual se favorece durante las operaciones de homogenización y aeración de la biopila (EPA, 2017; Richard et al., 2002).
De manera análoga al análisis realizado con el pH, se identificaron 3 grupos homogéneos del análisis de la (Fig. 2b), dentro de los cuales, los tratamientos de Thalassia testudinum y Bagazo coexisten en el grupo que posee los mayores valores medios de humedad. Sin embargo, al analizar sus respectivos intervalos de confianza para la media 17,4228-19,4148 y 19,227-21,219 se aprecia que solo coincidirán sus medias desde el valor 19,227 hasta 19,4148. Se observa además que el único tratamiento que mantuvo como promedio sus valores de humedad por encima del 20% prestablecido fue el bagazo. El comportamiento del bagazo se explica dada su morfología ya que es capaz de absorber de 5 a 10 veces su peso en agua y es capaz de contener de una a dos partes de agua por una parte de fibra. El agua presente en el bagazo es retenida a través de mecanismos de absorción y de capilaridad (Hugot, 1989).
3.3 Temperatura
La evolución de la temperatura de los diferentes tratamientos durante el proceso de biorremediación de residuos petrolizados mediante las biopilas, se muestra en la (Fig. 4). Junto con las temperaturas de los tratamientos también se graficaron las temperaturas ambientales registradas en el período de experimentación. Se graficaron dos observaciones menos debido a que por la ocurrencia de eventos meteorológicos extremos no fue posible la medición de la temperatura en esos días. Se observó un comportamiento similar en el tiempo entre todos los tratamientos empleados en el estudio.
A lo largo del proceso los valores de T de los tratamientos oscilaron entre en un rango de 16 a 30oC con una ligera tendencia en la disminución de la temperatura. Anza et al., (2016) mencionan que la temperatura ideal para el proceso de biorremediación debe estar entre 25 y 35°C y resaltan la importancia de la temperatura para el desarrollo de microorganismos. Sin embargo, los criterios expuestos por Behrentz y Giraldo, (1999) exponen que, en pequeñas escalas, como es el caso del presente estudio, existe un valor grande para la razón existente entre el área superficial de las biopilas y el volumen reaccionante. Lo anterior, impide que no se acumule el calor de reacción y por lo tanto no se logran las temperaturas que caracterizan este tipo de sistemas en condiciones reales de operación.
3.4 Relación con variables ambientales
Se realizaron análisis multivariados para las variables climáticas sin arrojar en su mayoría relación lineal ni ningún otro patrón o comportamiento. Solamente se comprobó significación estadística (valores-p<0,05 indican correlaciones significativamente diferentes de cero, con un nivel de confianza del 95%.) de la variable ambiental temperatura ambiente respecto a las temperaturas de las biopilas. Es oportuno destacar que los coeficientes de Pearson obtenidos, corresponden con relaciones directas y moderadamente fuertes.
En correspondencia con lo anterior y como se muestra en la (Fig. 4), el comportamiento de la temperatura ambiental se ajustó a un comportamiento similar con las temperaturas de cada tratamiento. Teniendo en cuenta el comportamiento similar de ambas temperaturas se realizó un análisis de regresión lineal entre la temperatura ambiente como variable independiente, para determinar en qué proporción influyó sobre la temperatura de las biopilas, que actuaría como variable dependiente. Dado que se comprobó que no existen diferencias estadísticas significativas entre las temperaturas de cada tratamiento, y como estos poseen la misma cantidad de observaciones; se promediaron todos los valores para obtener la temperatura de biopilas promedio y realizar una regresión lineal simple respecto a la temperatura ambiente.
Basados en los resultados obtenidos del análisis de varianza realizado se obtuvo un valor-p=0, resultando entonces que el modelo de regresión es significativo para un 95% de confianza, con un coeficiente de correlación igual a 0,70, indicando una relación moderadamente fuerte entre las variables y una R-Cuadrada que indica que el modelo ajustado explica 49,251 % de la variabilidad en Temperatura intra-tratamientos. El modelo explica aproximadamente la mitad de la dispersión que regula la temperatura de las biopilas. Si bien, los valores de R-cuadrado no se consideran altos respecto a otras aplicaciones de ingeniería, logran justificar casi la mitad de la variación existente en la temperatura de en un proceso que además se encuentra influenciado por otros parámetros como pueden ser: actividad metabólica de los microorganismos; régimen de homogenización, aireación y volteo; frecuencia de humectación, entre otros factores no estudiados. Por tanto, se considera válida la ecuación (1) del modelo ajustado como herramienta de monitoreo y estimación de la temperatura de las biopilas a escala semipiloto.
() 1
En la (Fig. 5) se muestra el análisis gráfico para la verificación de los supuestos del modelo de regresión. Como se aprecia en las Figuras 5a y b, no existen patrones que indiquen heteroescedasticidad en los datos ni una influencia exterior sobre los mismos. En las figuras 5c y d se puede comprobar un buen ajuste a la distribución normal. Por tanto, se cumplen los supuestos del modelo de regresión lineal simple.
Fig. 5 Análisis de supuestos de la regresión Temperatura intra-tratamientos vs. Temperatura ambiente (a) Residuos vs. Predicho (Igualdad de varianza), (b) Residuos vs. Número de fila (Independencia), (c) Gráfica de probabilidad normal, (d) Histograma de frecuencia ajustado a la campana de Gauss (normalidad)
CONCLUSIONES
Los cambios en el pH de los tratamientos no se ven afectado por ninguna de las variables climáticas empleadas en el estudio. Estos cambios están relacionados con la capacidad tampón del suelo y con el tamaño de partícula de los texturizantes empleados.
Para las condiciones de estudio, las variables climáticas tampoco tuvieron relación con en el comportamiento de la humedad de los tratamientos y debido a las características favorables de absorción de agua por el bagazo este resultó ser el mejor tratamiento para mantener los requerimientos necesarios de humedad en las biopilas llegándose a observar hasta valores de 35% de humedad.
La temperatura de los tratamientos tuvo un comportamiento similar entre cada uno de ellos sin mostrar diferencias estadísticamente significativas y mostró una relación lineal directa moderadamente fuerte con respecto a la temperatura ambiente, cuya ecuación del modelo obtenido puede ser considerada como herramienta de estimación de la temperatura de las biopilas a escala semipiloto.
