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BIOTECNOLOG
MBIENT L
Q.F. MNICA CHIPANA FLORES
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BIOTECNOLOGA AMBIENTAL
BIOTECNOLOGA
Procesos mediados pormicroorganismo paraconservar el medio
ambiente
BIODEGRADACIN
Eliminacin desustancias
contaminantes
Degradacin demateriales
BIORREMEDIACIN
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Al t ratam iento para remediar s i t ios contaminados,utilizando diversas tecnologasse le conoce con el nombre
genrico de remediacin
El concepto deremediacinhace referencia a laaplicacin deestrategias biolgicas,
fsico - qumicas paraevitar el dao y lacontaminacin delmedio ambiente.
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1) Extraccin o separacin: los contaminantes seextraen y/o separan del sitio contaminado,aprovechando sus propiedades fsicas o qumicas
(por ejm., volatilacin, solubilidad, carga elctrica,etc.) mediante lavado de suelos contaminadosson sales solubles.
2) Aislamiento o inmovilizacin del
contaminante: los contaminantes sonestabilizados, solidificados o contenidos con eluso de mtodos fsicos o qumicos. Por ejm.Solidificacin de suelos usando cemento tipoPortland.
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Las tecnologas de remediacin se pueden clasificaratendiendo a diversos criterios:
a) Segn la estrategia de remediacin: se tienen tres estrategiasbsicas que pueden usarse separadamente o en conjunto. Destruccin del contaminante: esto se logra mediante la
modificacin de su estructura qumica. Por ejem., incineracin
de suelos contaminados con plaguicidas organofosforados.b) Segn el lugar en que se realiza el proceso de remediacin:
se distinguen dos tipos de tecnologas:
In situ: el suelo contaminado es tratado, sin necesidad deretirar el sitio. Este tipo de remediacin se realiza en el mismolugar en donde esta el suelo contaminado. Ejm.Fitorremediacin.
Ex situ: este tipo de tratamiento requiere excavar el sitio,para remover el suelo contaminado y trasladarlo a otro lugar
cercano o lejano. Ejm. landfarming (biolabranza)
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Las tecnologas de remediacin se pueden clasificaratendiendo a diversos criterios:
c) Segn el tipo de tratamiento: este criterio de clasificacinse basa en el principio de la tecnologa de remediacin y sedivide en tres tipos de tratamiento:
Actividades metablicas de :
Bacterias
HongosPlantas
Algas
C.1) Tratamiento Biolgico o Biorremediacin
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C.2) Tratamiento Fsico Qumico
En este caso se aprovechan las propiedadesfsicas y/o qumicas de los contaminantes o delmedio contaminado, para destruir, separar ocontener la contaminacin. Ejm. extraccin conaire de COV.
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C.3) Tratamiento Trmico
Se utiliza el calor para incrementar la volatilizacin,separacin, quemar, descomponer o fundir(inmovilizar) los contaminantes.Ejm. Tratamiento de suelos con vapor.
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BIOTECNOLOGA Y MEDIO AMBIENTE
El crecimiento de la poblacin y el avance de las actividadesindustriales a partir del siglo XX trajeron serios problemas decontaminacin ambiental. Desde entonces, los pases generanms desperdicios, muchos de ellos no biodegradables o que sedegradan muy lentamente en la naturaleza, lo que provoca su
acumulacin en el ambiente sin tener un destino seguro o untratamiento adecuado. En lugares donde no existe control sobre la emisin y el
tratamiento de los desechos, es factible encontrar una ampliagama de contaminantes.
Habitualmente, los casos de contaminacin que reciben mayoratencin en la prensa son los derrames de petrleo. Pero, enel mundo constantemente estn sucediendo acontecimientosde impacto negativo sobre el medio ambiente, incluso en elentorno directo, generados por un gran abanico de agentes
contaminantes que son liberados al ambiente.
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Un ejemplo lo constituyen algunas industrias qumicasque producen compuestos cuya estructura qumicadifiere de los compuestos naturales, y que son utilizadoscomo refrigerantes, disolventes, plaguicidas, plsticos ydetergentes.
El problema principal de estos compuestos es que sonresistentes a la biodegradacin, por lo cual se acumulany persisten en el ambiente y lo perjudican tanto como alos seres vivos, entre ellos el ser humano.
En las ltimas dcadas, entre las tcnicas empleadaspara contrarrestar los efectos de los contaminantes, secomenz a utilizar una prctica llamadabiorremediacin.
BIOTECNOLOGA Y MEDIO AMBIENTE
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QUE ES LA BIORREMEDIACION?
Remocin o destruccin de contaminantes
Organismos vivos o enzimas producidas
Bacterias Protozoos Plantas Hongos Algas
por
como
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Se refiere al espectro de mtodos que utilizan organismos(como bacterias, plantas, hongos, etc.) o productosmetablicos obtenidos a partir de ellos para degradarcontaminantes orgnicos peligrosos o convertircontaminantes inorgnicos en compuestos
ambientalmente menos txicos o no txicos.
Biorremediacin
DEFINICION
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PRINCIPIO DE LA
BIORREMEDIACION
La biorremediacin se basa enla idea de que los organismos
son capaces de tomar cosasdel ambiente y usarlas para sucrecimiento, toman sustanciascontaminadas del medioambiente y las convierten enuna forma no txica.
Algunas bacterias, protistas, yhongos son muy buenos en ladegradacin de molculascomplejas.
http://www.biosci.ohio-state.edu/~rsayre/CDJUGGLE.GIF7/24/2019 Biotecnolgia Gris
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PROCESO DE LA
BIORREMEDIACION1. Los microorganismos producen enzimas que rompen la molcula
contaminante en partes digeribles.2. El contaminante es ingerido y digerido por la clula como nutriente
junto con otras fuentes de energa.
OBJETIVO Convertir sustancias que son peligrosas para los organismos vivos a
productos inertes, de manera que solo queden desechos inofensivosde dichas sustancias.
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Ambientes contaminados
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La BIORREMEDIACINpuede:
Emplear organismos propios del sitio contaminado(autctonos) o de otros sitios (exgenos)
Realizarse in situ o ex situ En condiciones aerobias (en presencia de oxgeno) o
anaerobias (sin oxgeno)
Los procesos de biorremediacin, aunque no todos los
compuestos orgnicos son susceptibles a la biodegradacin, sehan usado con xito para tratar suelos, agua residual , lodos ysedimentos contaminados con:
Hidrocarburos del petrleo , Solventes (benceno y tolueno),
Explosivos (TNT) Clorofenoles (derivados del benceno), Pesticidas, Residuos orgnicos, Conservadores de madera (creosota) e
Hidrocarburos aromticos policclicos (HAPs)
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Tipos de biorremediacin
En los procesos debiorremediacingeneralmente se empleanmezclas de ciertos
microorganismos o plantascapaces de degradar oacumular sustanciascontaminantes tales comometales pesados y
compuestos orgnicosderivados de petrleo osintticos.Bsicamente, los procesosde biorremediacin pueden
ser de tres tipos:
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Las actividades microbianas en el proceso debiorremediacin
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FITORREMEDIACIN: Tipos de fitorremediacin, en donde seindica la zona de la planta en donde ocurre el proceso.
Las plantas pueden incorporar las sustancias contaminantes mediante
distintos procesos,
TIPO PROCESO INVOLUCRADO CONTAMINACIN TRATADA
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TIPO PROCESO INVOLUCRADO CONTAMINACIN TRATADA
Fitoextraccin Las plantas se usan para concentrarmetales en las partes cosechables(hojas y races)
Cadmio, cobalto, cromo, niquel,mercurio, plomo, plomo selenio,zinc
Rizofiltracin Las races de las plantas se usan para
absorber, precipitar y concentrarmetales pesados a partir de efluenteslquidos contaminados y degradarcompuestos orgnicos
Cadmio, cobalto, cromo, niquel,
mercurio, plomo, plomo selenio,zinc istopos radioactivos,compuestos fenlicos
Fitoestabilizacin Las plantas tolerantes a metales seusan para reducir la movilidad de losmismos y evitar el pasaje a napassubterrneas o al aire.
Lagunas de deshecho deyacimientos mineros. Propuestopara fenlicos y compuestosclorados.
Fitoestimulacin Se usan los exudados radiculares parapromover el desarrollo demicroorganismos degradativos(bacterias y hongos)
Hidrocarburos derivados delpetrleo y poliaromticos, benceno,tolueno, atrazina, etc
Fitovolatilizacin Las plantas captan y modifican metales
pesados o compuestos orgnicos y losliberan a la atmsfera con latranspiracin.
Mercurio, selenio y solventes
clorados (tetraclorometano ytriclorometano)
Fitodegradacin Las plantas acuticas y terrestrescaptan, almacenan y degradancompuestos orgnicos para darsubproductos menos txicos o no
txicos.
Municiones (TNT, DNT, RDX,nitrobenceno, nitrotolueno),atrazina, solventes clorados, DDT,pesticidas fosfatados, fenoles y
nitrilos, etc.
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Ventajas y desventajas de la fitorremediacin
Ventajas:
Las plantas pueden ser utilizadas como bombas extractoras debajo costo para depurar suelos y aguas contaminadas.
Algunos procesos degradativos ocurren en forma ms rpidacon plantas que con microorganismos.
Es un mtodo apropiado para descontaminar superficiesgrandes o para finalizar la descontaminacin de reasrestringidas en plazos largos.
Limitaciones:
El proceso se limita a la profundidad de penetracin de lasraces o aguas poco profundas. Los tiempos del proceso pueden ser muy prolongados. La biodisponibilidad de los compuestos o metales es un factor
limitante de la captacin.
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Nuevos desarrollos biotecnolgicos en plantas ybacterias
Entre los desarrollos biotecnolgicos que se estn llevando a cabo paraprocesos de fitorremediacin se encuentran los siguientes: Rizofiltracin para la extraccin de Uranio de aguas subterrneas en
Asthabula, Ohio, EEUU. Rizofiltracin a nivel de cultivo in vitro para detoxificar compuestos
fenlicos en aguas contaminadas (por ejemplo los derivados de losherbicidas tradicionales y contaminantes como el 2,4-D) en la U.N. deRo Cuarto, Crdoba por el grupo de investigacin de la Dra. Elizabeth
Agostini. Fitovolatilizacin de mercurio (Hg) por medio de plantas transgnicas
(Arabidopsis thaliana) que fueron transformadas con dos genes
provenientes de microorganismos que pueden transformar el mercurioinico en mercurio ms estable.
Plantas transgnicas de tabaco con genes provenientes de bacteriasque le permiten detoxificar TNT y GTN en suelos de campos minados.
Plantas transgnicas de Arabidopsis thaliana que toleran la
acumulacin de cadmio, arsnico y mercurio.
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Bacterias Pseudomonas transgnicas que son capaces de degradarcompuestos txicos que contienen cloro en compuestos menos
nocivos. Microorganismos capaces de degradar TNT, un explosivo de gran
potencia y muy agresivo para el entorno. Bacterias capaces de reducir las formas altamente txicas de mercurio
en otras menos txicos y voltiles.
Bacterias que transforman metales del suelo en formas menos txicaso insolubles. Por ejemplo: la reduccin de cromo (Cr+6 a Cr+3). La utilizacin de la bacteria Deinococcus radioduranspara eliminacin
de elementos radiactivos presentes en el suelo y aguas subterrneas.Este microorganismo es un extremfilo que resiste condicionesextremas de radiacin, sequedad, agentes oxidantes y diversoscompuestos mutagnicos.
Cianobacterias a las que se le han introducido genes de bacteriasPseudomonascon capacidad de degradar diferentes hidrocarburos opesticidas.
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PROCESO DE BIORREMEDIACIN
ESCASATRANSPARENCIA
BAJOS NIVELES DE
OXGENO
ALTAS CARGASORGANICAS YNUTRIENTES
SEDIMENTOHISTRICO
AGUA
SEDIMENTO
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PROCESO DE BIORREMEDIACION
TRATAMIENTOBIOLOGICOPOTENCIADO YDIRIGIDO
APLICACIN DELINCULO ADISTINTAPROFUNDIDAD
SEDIMENTO
AGUA
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PROCESO DE BIORREMEDIACION
DIFUSIN DELINCULO ATRAVS DE LOS
INTERSTICIOSSEDIMENTO
AGUA
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PROCESO DE BIORREMEDIACION
DIFUSIN DELINCULO ATRAVS DE LOSINTERSTICIOS
SEDIMENTO
AGUA
SIGUIENTE
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PROCESO DE BIORREMEDIACION
INICIO INMEDIATODE LA ACTIVIDAD
SEDIMENTO
AGUA
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PROCESO DE BIORREMEDIACION
PRIMERASMANIFESTACIONESEN LA MATRIZ
AGUA.
MEJORA DE LATRANSPARENCIA
SEDIMENTO
AGUA
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PROCESO DE BIORREMEDIACION
REDUCCIN DELESPESOR DE LOSSEDIMENTOS
SEDIMENTO
AGUA
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PROCESO DE BIORREMEDIACION
INCREMENTO DELOS NIVELES DEOXGENO EN EL
AGUA
ELIMINACIN DEOLORESMOLESTOS
SEDIMENTO
AGUA
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PROCESO DE BIORREMEDIACION
AUMENTO DE LATRANSPARENCIA
SEDIMENTO
AGUA
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PROCESO DE BIORREMEDIACION
PROLIFERACINDE PLANTAS
ACUATICAS
SEDIMENTO
AGUA
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PROCESO DE BIORREMEDIACION
ACUSADAREDUCCIN DELSEDIMENTO
SEDIMENTO
AGUA
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PROCESO DE BIORREMEDIACION
TRANSPARENCIATOTAL DEL AGUA
SEDIMENTO
AGUA
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PROCESO DE BIORREMEDIACION
RECUPERACIONDE LASCONDICIONES
APROPIADAS PARALA VIDA ACUATICA
SEDIMENTO
AGUA
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PROCESO DE BIORREMEDIACION
RECUPERACIONDE LASCONDICIONES
APROPIADAS PARALA VIDA ACUATICA
SEDIMENTO
AGUA
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PROCESO DE BIORREMEDIACION
RECUPERACIONDE LASCONDICIONES
APROPIADAS PARA
LA VIDA ACUATICA
SEDIMENTO
AGUA
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PROCESO DE BIORREMEDIACION
RECUPERACIONDE LASCONDICIONES
APROPIADAS PARALA VIDA ACUATICA
SEDIMENTO
AGUA
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PROCESO DE BIORREMEDIACION
RECUPERACIONDE LASCONDICIONES
APROPIADAS PARALA VIDA ACUATICA
SEDIMENTO
AGUA
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A. Tecno logas in s itu
Las tcnicas in situbuscan estimular y crear unambiente favorable para el crecimientomicrobiano a partir de los contaminantes.
Este objetivo generalmente puede lograrse con:
El suministro de aire u oxgeno (bioventeo) El suministro de nutrientes
(bioestimulacin) El suministro de microorganismos
(bioaumentacin)
y/o humedad, adems del control de T y Ph
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BIORREMEDIACION
ATENUACION NATURAL IN SITU EX SITU
BIOESTIMULACION BIOAUMENTACION
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BIOESTIMULACION BIOAUMENTACION
Se utilizan
microorganismosendgenos para
degradar
contaminantes
(subsuelo/aguas
subterrneas
contaminadas).Se estimula la actividad
biolgica de la bacteria
por medio de la
inyeccin de aire a
travs de los pozos.
Estos se instalan en
varios puntos del rea
contaminada, y a travs
de ellos se inyectan
tambin
nutrientes.
Se adiciona un
consorcio de
microorganismos
degradadores del
contaminante.
Este consorciodesarrollado en el
laboratorio es
enriquecido con
nutrientes en una
solucin bioactiva, la
cual es
inyectada a una
profundidad
determinada en los
pozos monitoreados.ALTAMENTE EFECTIVOS
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Bioventeo
El bioventeo es una tecnologa relativamente nuevaSu objetivo es estimular la biodegradacin natural decualquier compuesto biodegradable en condiciones
aerobias.
El aire se suministra en el sitio contaminado a travsde:
pozos de extraccinpor movimiento forzado (extraccin o inyeccin)
con bajas velocidades de flujoEl fin es proveer solamente el oxgeno necesario para
sostener la actividad de los microorganismosdegradadores
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Apl icaciones
Se utiliza para:
Tratar compuestos orgnicos biodegradablessemivoltiles (COSs) o no voltiles.
Favorecer la degradacin de contaminantesadsorbidos
Degradar COVs, por medio de su movimiento a travs
del suelo biolgicamente activo Remediar suelos contaminados con HTPs, solventes
no clorados, pesticidas y conservadores de la madera,entre algunos otros qumicos
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Bioestimulacin La bioestimulacin implica la circulacin de
soluciones acuosas (que contengan nutrientesy/u oxgeno) a travs del suelo contaminado,para estimular la actividad de losmicroorganismos autctonos, y mejorar as la
biodegradacin de contaminantes orgnicos obien, la inmovilizacin de contaminantesinorgnicos in situ (Van Deuren y col., 1997)
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Aplicaciones
Se ha usado con xito para remediar sueloscontaminados con:
GasolinaCOVs (compuestos orgnicos voltiles)Compuestos orgnicos sintticos (COSs), yPesticidas
Estudios a escala piloto, han mostrado labiodegradacin de suelos contaminados condesechos de municiones.
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Biolabranza
Durante el proceso de biolabranza, la superficie delsuelo contaminado es tratado en el mismo sitio pormedio del arado.
El suelo contaminado se mezcla con agentes devolumen y nutrientes, y se remueve peridicamente
para favorecer su aireacin.
Diferencia entre le biolabranza y el composteo
En la biolabranza, se mezcla el suelo contaminado consuelo limpio.
En el composteogeneralmente se realiza sobre el suelo.(Van Deuren y col., 1997).
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Apl icac iones
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Apl icac iones
Los contaminantes tratados con xito por
biolabranza, incluyen :DieselGasolinasLodos aceitosos
PCP, creosota yCoque,Adems de algunos pesticidas y HTPs (Alexander,1994).
Tecnologa de gran escala. Se practica en USA,Canad, Reino Unido, Holanda, Suiza,Dinamarca, Francia y Nueva Zelanda (Reiser-Roberts,1998).
Li i t i
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Limitaciones
La biolabranza debe manejarse con cuidado paraprevenir la contaminacin de acuferos, superficies deagua, aire o en la cadena alimenticia.
El mayor problema es la posibilidad de lixiviados de los
contaminantes hacia suelo y agua.
Por la incorporacin de suelo contaminado en suelolimpio, se genera un gran volumen de material
contaminado. No es recomendable su uso para contaminantes
diluidos, ni tampoco cuando no todos los contaminantesson biodegradables (Van Deuren y col., 1997).
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B. Tecno logas ex s itu
Los procesos de biorremediacin ex situ,incluyen:
(i) Procesos de biodegradacin en fase de lodos,endonde el suelo se mezcla con agua (para formar unlodo), microorganismos y nutrientes; y
(ii) Procesos de biodegradacin en fase slida, en
donde los suelos se colocan en una celda detratamiento (composteo) o sobre membranasimpermeables (biolabranza), en donde se agregaagua y nutrientes (EPA, 2001).
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Apl icaciones
El composteose ha usado con xito para remediar sueloscontaminados con:
PCPGasolinasHTPsHAPs.Se ha demostrado tambin la reduccin, hasta nivelesaceptables, en la concentracin y toxicidad de explosivos
(TNT).
El uso de estrategias de composteo, se ha adoptadoseriamente hasta los ltimos 3 a 5 aos (Van Deuren y col., 1997;Semple y col., 2001).
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Biorremediacin
en fase de lodos
(biorreactores)
Los biorreactores
Pueden usarse para tratar suelos heterogneos ypoco permeables, o cuando es necesario disminuirel tiempo de tratamiento, ya que es posiblecombinar controlada y eficientemente, procesos
qumicos, fsicos y biolgicos, que mejoren yaceleren la biodegradacin (Reiser-Roberts, 1998).
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Uno de los reactores ms utilizados para biorremediar suelos es elbiorreactor de lodos, en el cual el suelo contaminado se mezclaconstantemente con un lquido, y la degradacin se lleva a cabo enla fase acuosa por microorganismos en suspensin o inmovilizadosen la fase slida.
El tratamiento puede realizarse tambin en lagunas construidaspara este fin o bien en reactores sofisticados con control
automtico de mezclado (Alexander, 1994).
Ej l 1 L F lt ti
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Ejemplo 1: Lagunas Facultativas
Disposicin en las lagunas Facultativas
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Disposicin en las lagunas Facultativas
Las lagunas facultativas deben utilizar entradas y salidas mltiples paraaproximarse al flujo de tipo pistn.
Las entradas y salidas mltiples promueven la distribucin uniforme de lodosdepositados en el fondo.
Ejemplo: Lagunas Aereadas
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Ejemplo: Lagunas Aereadas
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Lagunas aireadas
Proceso de Fangos Activados
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g
Puede definirse como una
masa floculenta que se
produce cuando un agua
residual se aerea de forma
continua.Est compuesta por
microorganismos que son
capaces de romper y
metabolizar los principales
contaminantes presentes enel agua residual.
Microorganismos
(bacterias)
Materia
orgnica
Oxigeno
(aereadores)
Licor Mezcla
LODOS ACTIVADOS
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Apl icaciones
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Apl icaciones
Los biorreactores de lodos aerobios, se utilizanprincipalmente para tratar:
HTPsCOSs no halogenados y
COVs.Se utilizan tambin reactores secuenciales delodos aerobios /anaerobios para tratar:
BPCsCOSs halogenadospesticidas ydesechos de artillera (Van Deuren y col., 1997).
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