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Disminucion de la DQO en aguas de formacion utilizando cepas bacterianas.

Diminution of the COD in formation waters using bacterial stocks

Introduccion

Las aguas de formacion son denominadas por algunos investigadores como aguas de produccion (AP), debido a que las muestras son tomadas en el cabezal de los pozos [1]. Estas aguas presentan una composicion compleja ya que contienen crudo libre y emulsionado, hidrocarburos, solidos suspendidos, gases, sales, mercaptanos y otros compuestos [2]. En Venezuela, el campo de Ule representa el 32.31% del AP de la region Occidental del pais [305000 barriles diarios (305 MBD)]. La capacidad instalada de tratamiento y reinyeccion en la region para el ano 2001, fue de 330 MBD y 370 MBD respectivamente, estimandose para el ano 2010 un deficit de 115 MBD tanto para el tratamiento como para la reinyeccion [3]. Estos datos muestran la urgencia de con seguir metodos alternos de tratamiento y disposicion de las AP [1]. El tratamiento que la Industria Petrolera Venezolana ha dado a las aguas de formacion se ha basado generalmente en metodos fisicos o quimicos; sin embargo, los efluentes liquidos generados luego de estos tipos de tratamientos no cumplen con la normativa legal vigente para su vertimiento en cuanto al contenido de 350 mg/L de materia organica (DQO) [4]. Ademas, en la region, la generacion e inadecuada disposicion de diferentes tipos de efluentes industriales, contribuyen al deterioro del Lago de Maracaibo [5].

Debido a que gran parte de las sustancias que transportan las aguas de formacion es materia organica, de la cual una fraccion importante es biodegradable, el tratamiento biologico surge como una alternativa viable para la disminucion de las concentraciones de las descargas contaminantes que son introducidas al ambiente y de esta forma evitar danos de magnitudes considerables, no solo al ambiente sino tambien a la biota, ya que mediante este tipo de tratamiento se aprovecha el potencial de los microorganismos para mineralizar o transformar contaminantes organicos en compuestos quimicamente mas sencillos [6].

El objetivo de la presente investigacion fue la evaluacion de grupos bacterianos, individuales y en consorcio, provenientes de suelos liofilizados del oriente venezolano, para la remocion de la materia organica presente en los efluentes petroleros.

Metodologia

Las tres muestras de liofilizados utilizadas en este estudio, identificadas como [B.sub.1], [B.sub.2] y [B.sub.3] provienen de suelos contaminados con aguas de formacion. Para la activacion de las cepas microbianas presentes en las mismas se utilizo caldo nutriente, en una proporcion de 1 g de liofilizado/500 mL de caldo nutriente y llevados a incubacion durante 48 h [+ o -] 2, a una temperatura de 37[grados]C [+ o -] 1. Posteriormente, los cultivos microbianos en suspension obtenidos fueron inoculados, mediante diluciones seriadas desde [10.sup.-2] hasta [10.sup.-9], en placas con agar nutriente, medio de cultivo complejo para todo tipo de bacterias segun Madigan y col. [7] y llevadas a incubacion a una temperatura de 37[grados]C [+ o -] 1 durante periodos de 24 h [+ o -] 2 y 72h [+ o -] 2. Luego, la descripcion morfologica de las colonias aisladas se realizo utilizando el contador de campo oscuro Quebec (American Optical), detallando sus espesores, bordes, siguiendo el protocolo de Reynolds [8]. El conteo de viables se realizo contando las unidades formadoras de colonias (UFC) expresadas en la superficie de la placa [9] con el contador antes mencionado.

Las cepas aisladas fueron caracterizadas e identificadas mediante las pruebas de: tincion de Gram [10], tincion de esporas, alcohol-acido resistente, tension de oxigeno [8] y una serie bioquimica dada por fermentacion de carbohidratos e IMVIC entre otras[11]. Posteriormente fueron resembradas en placas con agar nutriente y despues de verificar el crecimiento de las UFC, sin contaminacion, estas fueron inoculadas en caldo nutriente e incubadas a una temperatura de 37[grados]C [+ o -] 1 durante 48 h [+ o -] 2.

Las cepas seleccionadas para el estudio fueron cinco debidamente evaluadas y un consorcio proporcional de todas en conjunto, inoculandose activas al reactor. Los ensayos se realizaron en reactores numerados de 1-6 para los grupos funcionales (G1, G2, G3, G4, G5) y el consorcio (G0) respectivamente. Las cepas utilizadas corresponden a las que experimentaron mejores patrones de crecimiento no solo en los medios antes mencionados sino tambien en un medio minimo mineral que contenia agua de formacion de petroleo mediano como fuente de carbono.

Se realizaron a escala de laboratorio, las pruebas de biodegradabilidad o tratabilidad [12], en reactores aerobios por carga (Flujo discontinuo) bajo condiciones mesofilicas (27[grados]C), la cual se considera apropiada para el desarrollo de este tipo de bacterias segun lo expresado por Prescott y col. [13], y un tiempo de retencion hidraulico (TRH) de 144 h. El reactor se implemento usando un recipiente graduado de plexiglas de 3 L, provisto de una piedra porosa circular y una manguera (Tygon, No. 16) conectada a la tuberia de suministro de aire comprimido, lo cual es necesario para mantener las condiciones aerobicas en el licor-mezcla y lograr una rapida degradacion. Como volumen efectivo se uso 0.3 L de suspension bacteriana y 0.7 L de agua de formacion de petroleo mediano. Las caracteristicas del agua utilizada en el estudio se reportan en la Tabla 1.

Para tener un conocimiento adecuado acerca de la composicion del crudo presente en el agua de formacion utilizada en la presente investigacion, se procedio al analisis de SARA, pues este proporciona la informacion pertinente acerca de la complejidad estructural de la materia organica que hace parte del efluente y que va a estar disponible para ser aprovechada por los microorganismos. A partir de 0.240 L de agua de formacion de petroleo mediano utilizados, se hizo la extraccion de 0.2604 g de crudo, siendo las fracciones del analisis las indicadas en la Tabla 2.

Los reactores aerobios mesofilicos por carga para los diferentes grupos funcionales y el consorcio bacteriano se alimentaron solo una vez con agua de formacion de petroleo mediano cuya DQO tipica era de 880 mg/L y luego se hizo un seguimiento de la DQO de salida durante seis dias de experimentacion y se determinaron los correspondientes porcentajes de remocion.

Los parametros evaluados a la salida de cada reactor fueron pH, DQO, alcalinidad total, SSV y SST, los cuales se analizaron segun el Standard Methods [14] y los resultados obtenidos se procesaron estadisticamente utilizando el software SPSS, version 12.0 para Windows, aplicando ANOVA y diferencia de medias de Tukey (P < 0.05). Para la toma de muestras del sobrenadante, el periodo de mezclado de los reactores fue detenido cada 24 h durante 30 min.

Resultados y Discusion

La activacion de los microorganismos presentes en las tres muestras de liofilizados de suelo permitio aislar, identificar y caracterizar los generos microbianos reportados en la Tabla 3. El aislamiento de estos microorganismos resulta particularmente importante debido a que cuando estos provienen de suelos, poseen actividades de peroxidasas y oxigenasas, que permiten la oxidacion de algunas fracciones del petroleo [15], lo cual contribuye al biotratamiento de las aguas de formacion utilizadas en la presente investigacion.

La morfologia colonial para cada grupo microbiano se mantuvo invariable tanto para crecimientos en consorcio como para crecimientos individuales, ya que los microorganismos que crecen en superficies solidas tienden a formar colonias con una morfologia caracteristica [13].

Debido a que entre 70 y 97% de los hidrocarburos del petroleo es degradable (la fraccion de hidrocarburos saturados y aromaticos) [16] y algunos investigadores han informado que los generos bacterianos Acinetobacter [17], Bacteroides [18], Aeromonas [16], Xanthomonas [19] y Klebsiella [21] participan en la biodegradacion, bajo condiciones optimas de funcionamiento de los reactores, se espera obtener eficiencias adecuadas de remocion de DQO y que el reactor del consorcio bacteriano arroje los mejores resultados debido a que los grupos bacterianos pueden combinar y complementar sus funciones metabolicas para biodegradar la materia organica presente en el agua de formacion utilizada.

En terminos generales, durante la prueba de tratabilidad, el intervalo de pH se encontro dentro del rango optimo para el crecimiento de los microorganismos aerobios (5-9 unidades) (Figura 1), obteniendose como consecuencia una buena actuacion del reactor por carga [21], lo que garantiza que las cepas bacterianas utilizadas intervienen en la disminucion de la materia organica [22], lo que va de acuerdo a su metabolismo quimioorganotrofo.

El hecho de que el pH se encuentre en el rango optimo es importante, debido a que este influye sobre el crecimiento y reproduccion de los microorganismos. Ademas, indica que no existen dificultades para el tratamiento de las aguas utilizadas, problema que se presenta cuando las aguas son muy acidas o muy alcalinas [23]. Los valores de pH a la salida de los reactores, se encontraron dentro de los limites de descarga establecidos en la normativa vigente [3].

De acuerdo a la prueba de Tukey se observo que no hay diferencias significativas en los valores promedios de pH entre los grupos 1, 3, 4 y 5 (bloque I con un promedio de 7.4 unidades) y entre el grupo 2 y el consorcio (bloque II con un promedio de 6.6 unidades). Entre ambos bloques se destaca una diferencia significativa (P < 0.05). Asi, el comportamiento fisiologico de los microorganismos que forman parte del bloque I es similar, en las condiciones de operacion de los reactores aerobios mientras que es diferente de los microorganismos del bloque II, cuyos miembros tambien tienen comportamiento fisiologico similar entre ellos.

La alcalinidad total resulto variable para los diferentes reactores, manteniendose la tendencia general a aumentar a medida que avanzaba la experimentacion, lo cual es util en el tratamiento de las aguas residuales porque proporciona un amortiguamiento para resistir los cambios drasticos de pH [23]. Sin embargo cada reactor muestra un comportamiento particular (Figura 2).

En terminos generales, la dinamica de los reactores hizo que el comportamiento de la alcalinidad resultase suficiente para mantener el pH estable (sin modificaciones drasticas), impidiendo su disminucion, ya que solo cuando toda la alcalinidad del medio no es suficiente para la neutralizacion de los acidos volatiles, ocurrira dicho fenomeno. Esta capacidad de amortiguacion se refiere a la habilidad del reactor para resistir cambios en el pH [24]. Se observo un consumo de alcalinidad al comienzo de la prueba de tratabilidad, debido posiblemente a la produccion de acidos organicos derivados del metabolismo. Posteriormente, la alcalinidad mayor indica la estabilidad en cuanto a la liberacion de los metabolitos secundarios para mantener un pH estable. La posible fuente de alcalinidad es la produccion de sales de acidos debiles-bases fuertes, formados durante el tratamiento, proporcionando un efectivo sistema amortiguador [5].

De acuerdo con la prueba de Tukey se infiere que todas las medias de alcalinidad son significativamente diferentes pero suficientes para mantener los rangos de pH optimos para el desarrollo de los microorganismos y lograr la remocion de la materia organica del efluente tratado.

Los analisis de los SST y SSV mostraron que existio una relacion directa entre estos, ya que su comportamiento fue similar. El comportamiento de los SST fue relativamente estable para todos los grupos funcionales evaluados con respecto al tiempo. Sin embargo, considerando que la normativa establece un valor maximo permisible para los solidos de 80 mg/L, el reactor del G0 no cumple con los criterios de vertimiento a cuerpos de agua receptores, puesto que presenta un valor promedio de 94.10 mg/L, mientras que en el resto de los reactores para los distintos grupos funcionales los SST se mantienen por debajo del valor establecido en la norma (Figura 3).

[FIGURA 1 OMITIR]

[FIGURA 2 OMITIR]

[FIGURA 3 OMITIR]

Lo anterior indica un buen funcionamiento operacional de los reactores, con lo cual la cantidad de solidos suspendidos es aceptable. La prueba pareada de Tukey muestra que todas las medias de SST son significativamente diferentes (P < 0.05), excepto la de los grupos funcionales 3 y 4.

En cuanto a los SSV, para todos los grupos funcionales se encontraron valores promedios comprendidos entre 25.61 mg/L y 63.06 mg/L, los cuales se ajustan a los requerimientos expresados en la normativa de 80 mg/L, indicando un buen desempeno operacional, lo cual significa que los reactores retienen una buena cantidad de lodo con respecto al tiempo (Figura 4).

Al igual que para los SST, la prueba pareada de Tukey muestra que todas las medias de SSV son significativamente diferentes (P < 0.05), excepto la de los grupos funcionales 3 y 4.

La relacion (SSV/SST*100) es importante debido a que a partir de ella se puede establecer el comportamiento potencial de bacterias activas utiles para la degradacion efectiva de la materia organica compleja presente en el agua de formacion sujeta a estudio, ya que estos porcentajes se asocian a la biomasa formada [25]. El valor tipico de esta relacion para un tratamiento biologico es de un 70% de biomasa viable [26], la cual es entendida como la cantidad de biomasa presente en el reactor aerobio referida al contenido celular. En esta investigacion, la relaciones alcanzaron proporciones promedios de 67.17%, 65%, 64.83%, 63.17%, 59.33% y 58.33% para G0, G5, G3, G1, G2 y G4 respectivamente, lo que sugiere una aceptable retencion de biomasa dentro del reactor y una aceptable sedimentacion de la biomasa o agregados bacterianos que garantiza un desempeno eficiente de los reactores aerobios utilizados en esta investigacion.

[FIGURA 4 OMITIR]

Los valores de DQO obtenidos en cada uno de los biorreactores, permiten calcular los porcentajes de materia organica en los mismos, utilizando un valor inicial de 880 mg/L, el cual es caracteristico del efluente evaluado. La DQO de salida para los diferentes reactores fue variable, con la tendencia a disminuir con respecto al tiempo de experimentacion. La Figura 5 representa los porcentajes de remocion de la DQO, en el transcurso de los 6 dias de evaluacion, para cada uno de los reactores. La tendencia general fue el incremento sustancial de los porcentajes de remocion en la medida en que se avanzaba en los dias de experimentacion.

Los valores porcentuales, intervalos y promedios de remocion de DQO, de los grupos bacterianos evaluados y el consorcio se presentan en la Tabla 4. Estos valores se consideraron a partir del segundo dia de tratamiento, cuando las condiciones en los reactores son mas estables y los microorganismos estan mejor adaptados al medio proporcionado.

Los porcentajes de remocion alcanzados indican una elevada remocion de la materia organica presente en el agua de formacion, debido al adecuado funcionamiento de los reactores y a la buena adaptacion de los microorganismos al sustrato, lo cual es importante ya que de acuerdo a lo expresado por Tebbutt [23] cerca de 1/3 de la DQO de un desecho se usa para energia y los 2/3 restantes se utilizan para la sintesis de nuevas celulas, disminuyendo el potencial contaminante del efluente petrolero, esto contribuye a la formacion de lodo, el cual debe ser retirado posteriormente por sedimentacion, para someterlo a tratamientos que permitan su disminucion.

[FIGURA 5 OMITIR]

El analisis estadistico muestra que el grupo funcional 3 (Xanthomonas) y el consorcio microbiano (6) tienen diferencias significativas (P < 0.05) en comparacion con los demas grupos funcionales. Esto sugiere que cada reactor tiene un funcionamiento fisiologico particular y especifico de acuerdo con las condiciones de operacion establecidas, resaltando que los microorganismos presentes en los reactores 3 (reactor de las Xanthomonas) y 6 (reactor del consorcio bacteriano) alcanzaron las mejores eficiencias en la remocion de la materia organica presente en el efluente.

El analisis de los diferentes parametros fisicoquimicos resalto que el tratamiento biologico es una alternativa viable para la recuperacion del agua, tal como tambien lo habian demostrado Adams y col. [27]. Ademas, esto corrobora lo que Pozzo y col. [28] expresan sobre la actividad microbiologica degradadora de petroleo, senalandola de responsable de la biorremediacion de areas contaminadas por derrame o volcado de efluentes, sean estas suelos, rios o mares, lo que contribuye a la recuperacion de zonas contaminadas con hidrocarburos y evitar problemas de pasivos ambientales y de contaminacion debido al vertido de efluentes sin tratamiento previo.

Conclusiones

Los generos Aeromonas (1), Klebsiella (2), Xanthomonas (3), Bacteroides (4), Acinetobacter (5), debidamente aislados e identificados y un consorcio de los mismos, resultaron efectivas en la disminucion de DQO, lo que favorece el uso de biorreactores en los estudios de biotratamiento de aguas de formacion como una alternativa a los tratamientos fisicoquimicos.

Las eficiencias medias de remocion de DQO, medidas luego de las condiciones de estabilidad de los reactores, fueron 62.4, 67.4, 72.0, 80.6, 84.0 y 89.8% para los generos 5, 4, 2, 1, 3 y el consorcio de estos generos respectivamente. Lo que sugiere que estos grupos funcionales podrian ser utilizados para acelerar la degradacion de los componentes del agua de formacion de petroleo mediano en las plantas de tratamiento de los liquidos industriales o en procesos de biorremediacion. Sin embargo, luego del reactor, se debe ubicar un tanque de sedimentacion para la acumulacion de los lodos generados y poder realizar a estos un tratamiento que permita disminuirlos, ya que estos acumulan gran parte de la contaminacion retirada del material liquido.

Los generos Aeromonas, Xanthomonas y el consorcio utilizado en este estudio; son los mas acordes para promover la degradacion de la materia organica presente en el agua de formacion, de forma mas efectiva como proceso de biorremediacion.

En condiciones de flujo discontinuo se lograron eficiencias adecuadas en la disminucion de la DQO por parte de los microorganismos utilizados de forma individual y en consorcio en el reactor aerobio por carga utilizado. Sin embargo, se recomienda realizar estudios en flujo continuo para verificar esta factiblidad de tratamiento.

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Recibido el 09 de Julio de 2007

En forma revisada el 05 de Noviembre de 2008

Fernando Luis Castro Echavez (1), Nola Maria Fernandez Acosta (2) y Magaly Jackelin Chavez Delgado (2)

(1) Centro de Investigaciones, Universidad de la Guajira. km 5 via Maicao, Fax 7285306. fernandocastroechavez@gmail.com

(2) Departamento de Ingenieria Sanitaria y Ambiental, Universidad del Zulia. Maracaibo, Venezuela. nfernan@cantv.net / mjchavezd@hotmail.com
Tabla 1
Parametros fisico-quimicos iniciales
para las aguas de formacion de petroleo
mediano

Parametros            Concentracion
fisico-quimicos

pH                        8.04
Alcalinidad total         2906
(mg CaC[O.sub.3]/L)
SST (mg/L)                82.57
SSV (mg/L)                69.71
DQO (mg/L)                 880

Tabla 2
Composicion del crudo de las aguas de formacion de petroleo mediano
de acuerdo con el analisis SARA

Compuestos                                   Fraccion (%)

Saturados                                        0.2
Aromaticos                                      41.37
Resinas                                          27.3
Asfaltenos                                      13.20
Compuestos volatiles (No determinados)          17.93

Compuestos                               Concentracion (mg/L)

Saturados                                        0.24
Aromaticos                                      50.34
Resinas                                         33.22
Asfaltenos                                      16.10
Compuestos volatiles (No determinados)          21.82

Tabla 3
Resumen de tinciones diferenciales y pruebas
bioquimicas realizadas con fines de identificacion rapida

                  Tinciones

Grupo                         Alc-Ac.
Funcional   Gram   Esporas   Resistente

1            -        -          -
2            -        -          -
3            -        -          -
4            -        -          -
5            -        -          -

                        Fermentacion de
                         carbohidratos
Grupo
Funcional   Glucosa   Lactosa   Sacarosa   Manitol

1             +AG        +        +ret        +
2             +AG        +         +          +
3             +AG      +ret       +ret        +
4            +ArG        -        +ret        -
5             +AG        -         +          -

                          IMVIC

Grupo               Rojo de    Voges-
Funcional   Indol   Metilo    Proskaver   Citrato

1             +        +          +          -
2             +        +          +          +
3             -        -          -          +
4             +        -          -          +
5             +        +          +          -

                                                Otras Pruebas
Grupo         Reduccion de      Produccion
Funcional   N[O.sup.-.sub.3]   de [H.sub.2]S   Ureasa   Catalasa

1                  +                 -           +         +
2                  +                 -           +         +
3                  -                 -           +         +
4                  +                 -           -         +
5                  +                 -           +         -

             Otras
            Pruebas

                                              Manual de
                                               Bergey
                                                1994

Grupo                                        Genero mas
Funcional   Oxidasa     TSI     Motilidad     probable

1              +      Ale/Ale       +         Aeromonas
2              -       A/A,G        +         Klebsiella
3              +        A/A         +        Xanthomonas
4              +      Ale/Ale       +        Bacteroides
5              -        A/A         -       Acinetobacter

A = Acido. G = Gas. r y ret = retardada. Ale = alcalino.

Tabla 4
Intervalos y promedios de eficiencia de remocion de DQO para
microorganismos individuales y en consorcio

Reactor      Microorganismo          Grupo Funcional
                utilizado

1               Aeromonas                  G1
2              Klebsiella                  G2
3              Xanthomonas                 G3
4              Bacteroides                 G4
5             Acinetobacter                G5
6               Consorcio                  G0

Reactor   Intervalo de remocion   Promedio de remocion
               de DQO (%)              de DQO (%)

1                 64-93                   80.6
2                 47-89                   72.0
3                 68-95                   84.0
4                 38-86                   67.4
5                 35-77                   62.4
6                 75-97                   89.8
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Title Annotation:DQO; materia organica
Author:Castro Echavez, Fernando Luis; Fernandez Acosta, Nola Maria; Chavez Delgado, Magaly Jackelin
Publication:Revista Tecnica
Date:Dec 1, 2008
Words:4448
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