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Remocion de materia organica presente en efluentes petroleros utilizando un reactor por carga secuencial (SBR) a escala laboratorio.

Resumen

El tratamiento de las aguas de produccion de petroleo, Tia Juana Liviano (TJL) y Urdaneta Pesado (UP), proveniente del Patio de Tanque ULE, ubicado en la Costa Oriental del Lago de Maracaibo, se estudio bajo condiciones aerobias, utilizando reactores secuenciales por carga (SBR) de operacion continua, construidos a escala de laboratorio, determinandose la eficiencia del sistema en la remocion de materia organica biodegradable, hidrocarburos y fenoles totales. El agua de produccion fue caracterizada para conocer sus condiciones de entrada y salida ademas de verificar si la descarga cumplia con los limites permisibles para descargas, establecidos por la legislacion venezolana. Los parametros evaluados fueron pH, Alcalinidad, SST, SSV, OD, DQO, COT, nitrogeno, hidrocarburos y fenoles totales. En el Efluente Producto de la Extraccion de Petroleo Liviano (EEPL) los porcentajes de remocion de la Demanda Quimica de Oxigeno (DQO), Fenoles e Hidrocarburos Totales, alcanzaron hasta un 96%; mientras que para el Efluente Producto de la Extraccion de Petroleo Pesado (EEPP), la eficiencia en la remocion de DQO, fenoles e hidrocarburos totales fue aproximadamente de un 72%.

Palabras clave: Reactor secuencial por carga (SBR), aerobico, aguas de produccion de petroleo, petroleo liviano, petroleo pesado.

Abstract

Organic matter removal from the petroleum effluents by a sequencing batch reactor (SBR)

Tia Juana Liviano (TJL), Urdaneta Pesado (UP) oil wastewaters from the Tank-Yard U1e in the west cost of Lago de Maracaibo of Petroleum Venezuelan industry, were treated in aerobics conditions by Sequencing Batch Reactors (SBR) to determinate the organic matter (hydrocarbons and phenols) removal efficiency. The evaluated parameters in this study were pH, Alkalinity, TSS, DO, COD, TOC, Total Nitrogen, THC and total Phenols. The COD, totals phenols and totals hydrocarbons removal observed in Light Petroleum Extraction effluent (EEPL) and the Heavy Petroleum Extraction effluent (EEPP) were maximum 96% and 72%, respectively.

Key words: Sequencing batch reactor (SBR), oil production wastewater, light oil and heavy oil.

Introduccion

Las aguas de produccion de petroleo son aquellas generadas durante el proceso de explotacion y produccion del petroleo. Estas tienen caracteristicas fisico-quimicas complejas que incluyen alto contenido de crudo libre y emulsificado, hidrocarburos disueltos y solidos en suspension, ademas pueden contener altas concentraciones de gases, sales, [H.sub.2]S, mercaptanos y algunos compuestos toxicos, perjudiciales para el ambiente y los seres humanos; requiriendo el tratamiento de estas aguas residuales antes de ser descargadas a cuerpos de aguas superficiales [1]. En la Costa Oriental del Lago de Maracaibo-Venezuela, especificamente en el patio de Tanques Ule, Tia Juana, proveniente de la explotacion petrolera, se producen cerca de 250 mil barriles de estas aguas por dia [2], las cuales luego del tratamiento fisicoquimico aplicado en el patio de tanques no cumplen con la legislacion para ser descargadas a cuerpos de aguas superficiales [3]. El objetivo general de la investigacion fue evaluar la remocion de materia organica medida en terminos de la DQO, fenoles e hidrocarburos totales presente en las aguas de produccion de petroleo, utilizando un reactor por carga secuencial (SBR). En la actualidad el tratamiento biologico aerobio, ha resultado ser eficiente para aguas residuales e industriales especialmente para la degradacion de compuestos quimicos con resistencia a la biodegradabilidad, tales como los hidrocarburos y fenoles [4]. Para llevar a cabo este estudio se realizo determinaciones de parametros como Demanda Quimica de Oxigeno (DQO), pH, alcalinidad, Solidos Suspendidos Totales, aceites y grasas, Hidrocarburos y Fenoles Totales, tanto a la entrada como a la salida de los reactores

Metodologia Experimental

Area de estudio

El Patio de Tanques Ule de PDVSA, se encuentra ubicado en el Municipio Tia Juana del Estado Zulia-Venezuela. La alimentacion hacia este patio se hace mediante lineas provenientes de distintas estaciones de flujo ubieadas en tierra y lago, correspondientes a las segregaciones de la produccion de crudo Tia Juana Liviano (TJL), Tia Juana Mediano (TJM) y Urdaneta Pesado (UP). Adicionalmente se recibe la produccion deshidratada de las segregaciones Condensado Natural (CN) desde el patio de tanques Taparito y Rosa Mediano (RM) desde el patio de tanques Punta Gorda.

Estas segregaciones se tratan quimicamente para facilitar su deshidratacion en los diferentes tanques de reposo encontrados en el Patio de tanques Ule. Despues de lograr la deshidratacion de estas segregaciones en los tanques, se procede al drenaje del agua. El crudo obtenido en estos procesos se bombea hacia el Complejo de Refinerias de Paraguana y hacia la Salina para su fiscalizacion y posterior venta [5].

Efluente petrolero y reactor piloto

El efluente petrolero utilizado se colecto en el Patio de Tanque Ule en la Costa Oriental del Lago de Maracaibo y se transporto hasta las instalaciones del Departamento de Ingenieria Sanitaria y Ambiental de la Universidad del Zulia, manteniendose refrigerado a 4[grados]C hasta el momento de su ingreso al reactor secuencial por carga SBR.

El reactor fue construido de material polimerico (PVC) en forma cilindrica con un volumen de operacion total de 2 L, 0.6 L de lodo aerobio y 1.4 L de muestra (EEPL y EEPP). El reactor fue inoculado con 2800 mg/L de SSV proveniente de una planta de tratamiento de lodo activado de una industria cervecera. El oxigeno fue suministrado por medio de un difusor de aire conectado a un compresor de tal manera que la distribucion del oxigeno sea uniforme en el reactor. Se establecio un tiempo de retencion hidraulico (TRH) de 8 horas y un tiempo de retencion celular [[theta].sub.c] de 20 dias.

A fin de evitar limitaciones en la efectividad del proceso biologico y ayudar al desarrollo y crecimiento de los microorganismos, se adicionaron nutrientes como nitrogeno, fosforo y trazas de algunos metales, hasta obtener una relacion C:N:P de 100:5:1.

Analisis fisico-quimicos realizados durante la experimentacion

La caracterizacion inicial de los efluentes (EEPL) y (EEPP) se realizo para evaluar la eficiencia del sistema en la biodegradacion de materia organica, las determinaciones de los diferentes parametros se realizaron continuamente a la entrada y salida del reactor SBR, utilizando los metodos descritos en el Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, [6], Evaluando los parametros: Demanda Quimica de Oxigeno DQO (Metodo 5220C), pH (metodo 4500B), alcalinidad {metodo 2320B), Solidos (2540 D y E), Nitrogeno (Metodo 4500A), Hidrocarburos Totales (5220B). En la determinacion de fenoles totales se utilizo el metodo Fotometrico Directo norma 5530-D, para la determinacion del Carbono Organico Total (COT), se utilizo un Analizador de Carbono Organico Total marca Oil Analitical modelo 1020 A, que emplea el metodo 5310C del Standard Methods, el cual determina cuantitativamente el material carbonaceo en el medio acuoso.

Se aplico el programa SPSS version 10 para la obtencion de los valores estadisticos a evaluar.

Resultados y Discusion

Durante el periodo de la investigacion, el valor promedio de la DQO del EEPL a la entrada del reactor fue de 1105 mg/L y para el EEPP fue de 320 mg/L, esto se observa en la Tabla 1.

La variabilidad de las caracteristicas de las muestras colectadas condujo a definir muestras promedios y etapas de funcionamiento. La etapa de aclimatacion se realizo y el primer dia de evaluacion es aquel que sigue el periodo de aclimatacion.

La Tabla 2 y Figura 1, permiten constatar la eficiencia del sistema en lo concerniente a la eliminacion de la DQO durante los 71 dias de su funcionamiento en el EPPL. Estos resultados muestran que luego de aplicar el tratamiento utilizando un SBR, se alcanzo una eficiencia de eliminacion de la DQO promedio de 88%, el cual corresponde a una DQO en la salida entre 99,01 y 187,8 mg/L, por lo cual se constata que la norma de descarga venezolana se cumple facilmente, la cual establece un valor maximo de 350 mg/L. Resultados similares se obtuvieron en el tratamiento de un efluente de produccion de petroleo usando un SBR, donde se obtuvo un 96% de remocion de DQO, lo cual muestra la alta eficiencia de los sistemas SBR en el tratamiento de efluentes provertientes de la extraccion de petroleo [7].

Para el tratamiento de los efluentes de la extraccion de petroleo es recomendable una fase de aclimatacion estrictamente controlada para garantizar el eficiente funcionamiento del sistema [8], partiendo de esto para el EPPP, el cual en ensayos preliminares mostro una considerable fraccion organica refractaria, se aplico un procedimiento de aclimatacion reforzada utilizando glucosa como fuente de carbono adicionando nutrientes al sistema, hasta obtener una relacion C:N:P de 100:5:1.

En lo referente a EPPP, los resultados obtenidos se presentan en las Tabla 3 y la Figura 2. Como puede observarse luego del tratamiento se obtuvo una eficiencia promedio de eliminacion de DQO de 66%, obteniendose valores promedios de DQO a la salida del reactor de 105 mg/L. Para los EPPP, la biodegradabilidad aerobica resulto particularmente debil, pero su carga moderada no constituyo un problema para el cumplimiento de la norma venezolana en lo referente a la DQO.

En reactores SBR e igualmente para efluentes de la extraccion de petroleo, resultados analogos atribuyen este fenomeno a la respiracion endogena. Es probable que la degradacion de la mayor parte de los compuestos organicos se efectua solamente durante una fraccion del ciclo, es decir en el transcurso de las primeras horas. La carencia de sustrato con DQO de entrada por debajo de 500 mg/L, provoca durante las ultimas horas del ciclo el desarrollo de los mecanismos de respiracion endogena y por ende la muerte de las celulas [8].

[FIGURA 1 OMITIR]

Paralelo a la medicion de la DQO de las muestras, la evolucion de la concentracion de fenoles e hidrocarburos totales (HT) fue estudiada en las muestras provenientes de los reactores SBR. En efecto estos compuestos estan presentes en las aguas de produccion de petroleo y son potencialmente toxicos. Una debil concentracion de fenol puede inhibir el crecimiento de los microorganismos y concentraciones elevadas son toxicas a la mayoria las especies microbianas e inhiben la eliminacion eficiente de materia organica en reactores biologicos [9-11].

[FIGURA 2 OMITIR]

La concentracion promedio de HT del EEPL a la entrada del reactor fue de 78 mg/L y para el EEPP de 73 mg/L, esto se puede observar en la Tabla 4. Estos valores se encontraban fuera del limite permisible de descarga a cuerpos de aguas superficiales (20 mg/L) [3].

Posterior al tratamiento aerobio (SBR), la concentracion promedio de salida fue de 12,2 mg/L para el EEPL y 19,1 mg/L para el EEPP, los cuales corresponden a un porcentaje de eliminacion de 84,4 y 73,8 respectivamente.

En las Figuras 3 y 4, puede observarse el porcentaje de eliminacion de HT, el cual alcanza valores de 85% para el EEPL y un 74% para el EEPP. Resultados similares de remocion de hidrocarburos totales fueron obtenidos en el tratamiento de aguas de produccion de petroleo [12].

En lo referente a la degradacion biologica de fenoles totales, la entrada al reactor con EEPL fue de 16,8 mg/Ly para el EEPP fue de 2,5 mg/L. El comportamiento de los fenoles totales puede ser observado en la Tablas 5 y 6 para el EEPL y EEPP respectivamente.

Dentro del contexto de este estudio las perdidas abioticas no fueron medidas, sin embargo estudios precedentes realizados sobre compuestos fenolicos en condiciones totalmente comparables han permitido concluir que esta perdidas en sistemas SBR son despreciables en comparacion a la fraccion verdaderamente metabolizable [13].

Luego de aplicar el tratamiento la concentracion promedio de fenoles totales a la salida del reactor fue de 0,69 mg/L para el EEPL y 0,54 mg/L para el EEPP, alcanzandose un porcentaje de remocion de 96,0% y 91,40% respectivamente, esto puede observarse en las Figuras 5 y 6. Los residuos fenolicos han sido ampliamente tratados por procesos biologicos y han sido encontradas ser verdaderamente biodegradables. En efecto, la degradacion de los fenoles utilizando tratamientos aerobicos ha sido descrita en numerosos estudios anteriores donde se han constatado porcentajes de remocion de fenoles que superan el 90% [14-16]. Mangat y Elefsiniotis, utilizaron reactores SBR para el tratamiento de una mezcla de 2,4 diclofenoxiacetico (estructura fenolica) y de fenol y obtuvieron un porcentaje de remocion de 99%, para un tiempo de degradacion que varia entre 12 y 48 h [17].

[FIGURA 3 OMITIR]

[FIGURA 4 OMITIR]

Las concentraciones fenoles totales luego del tratamiento de ambos efluentes (EEPP y EEPL) se encuentran por debajo del limite permisible establecido por la legislacion ambiental venezolana (0.50 mg/L).

El pH y la alcalinidad fueron parametros medidos continuamente durante todo el tiempo de experimentacion. A la entrada del reactor el valor de pH promedio fue de 8,3 para el efluente pesado, encontrandose estos valores dentro del rango optimo para el desarrollo de los microorganismos (6,5-9,0).

[FIGURA 5 OMITIR]

El promedio de los valores de alcalinidad de entrada fue de 885 mg/L. Cabe resaltar que las fluctuaciones de pH y la alcalinidad a la salida de los reactores, pueden atribuirse a la formacion de iones bicarbonato como producto de la digestion aerobia. Como se expresa en la Ecuacion (1):

[H.sup.+] + H[CO.sup.-2.sub.3] [right arrow] [CO.sub.2] + [H.sub.2]O. (1)

Existe [CO.sub.2] disponible que es utilizado por los microorganismos para su desarrollo, el consumo de este [CO.sub.2] disminuye la concentracion de [H.sup.+] aumentando el pH y la alcalinidad del efluente del reactor. Otra explicacion para las variaciones de estos parametros se reporto en el tratamiento de gasoil en un SBR, en el cual se adicionaron nutrientes en forma solida resultando en una relacion C:N:P aproximadamente de 60:2:1. El nitrogeno fue adicionado como N[H.sub.4]Cl, y el fosforo fue adicionado en proporciones iguales de [K.sub.2]HP[O.sub.4] y K[H.sub.2]P[O.sub.4]; aumentando de esta forma el pH por el alto contenido de carbonato [18].

[FIGURA 6 OMITIR]

Conclusiones

El Reactor por Carga Secuencial SBR es eficiente en la remocion de materia organica, fenoles e hidrocarburos totales para el tratamiento de aguas de produccion de provenientes de nuestra principal industria petrolera, bajo las condiciones de operacion estudiadas.

El porcentaje de remocion de la Demanda Quimica de Oxigeno fue de 88% para el EEPL y 66% para el EEPP, alcanzando concentraciones a la salida por debajo del limite exigido para la descarga (350mg/L).

Las concentraciones de fenoles totales se disminuyen hasta 0,69 mg/L con una remocion de 96%, para el EEPL y en el EEPP se alcanzan concentraciones promedio de 0,54 mg/L con una remocion de 79%.

Para lo hidrocarburos totales se obtienen valores de eliminacion promedios de 84 y 78% para EEPL y EEPP respectivamente, esto confirma la presencia de un alto porcentaje de hidrocarburos saturados y compuestos de bajo peso molecular en los EEPL, los cuales son mas facilmente biodegradables.

Agradecimientos

A todo el personal del Departamento de Ingenieria Sanitaria y Ambiental de la Facultad de Ingenieria de la Universidad del Zulia.

Al Dr. Hubert Debellefontaine, Catedratico e Investigador del INSA-Toulouse, Francia.

Recibido el 30 de Junio de 2006

En forma revisada el 30 de Julio de 2007

Referencias Bibliograficas

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Youseli Gonzalez, Nancy Rincon, Franklin Lopez y Altamira Diaz *

Departamento de Ingenieria Sanitaria y Ambiental (DISA), Facultad de Ingenieria, Universidad del Zulia, Apartado 526. Maracaibo, Venezuela. +582617598852. * aldiaz@luz.edu.ve, adiaz2430@hotmail.com
Tabla 1 Caracterizacion del efluente producto de la extraccion de
petroleo liviano y pesado

Parametro caracteristico           EEPL               EEPP

DCO (mg/L)                  1105 [+ o -] 199     320 [+ o -] 77
COT (mg/L)                   345 [+ o -] 40      106 [+ o -] 21
HT (mg/L)                   78,0 [+ o -] 41       78 [+ o -] 9,0
Fenoles totales (mg/L)      16,8 [+ o -] 3       2,5 [+ o -] 0,2
Alcalinidad (mg/L)          2412 [+ o -] 365     885 [+ o -] 118
pH                                 7,99               8,30
Nitrogeno NTK (mg/L)        21,2 [+ o -] 5,2     9,2 [+ o -] 4,3
Fosforo total (mg/L)        1,57 [+ o -] 0,6     9,8 [+ o -] 1,2
Aceites y grasas (mg/L)    100,7 [+ o -] 29    113,3 [+ o -] 17

                           Norma de
                            descaga
Parametro caracteristico   venezolana

DCO (mg/L)                     350
COT (mg/L)                     /
HT (mg/L)                       20
Fenoles totales (mg/L)        0,50
Alcalinidad (mg/L)             /
pH
Nitrogeno NTK (mg/L)
Fosforo total (mg/L)
Aceites y grasas (mg/L)         20

Tabla 2
Cantidad de DQO x (mg/L) removida para el EEPL

Periodo (Dias)   [DQO.sub.E] (mg/L)   DQOS (mg/L)   % Remocion

01-20                   1105             103,2         91,1
21-50                   1105             187,8         83,0

Tabla 3
Cantidad de DQO (mg/L) removida para el EEPP

Periodo (Dias)   [DQO.sub.E] (mg/L)   DQOS (mg/L)   % Remocion

01-20                  320               1,283         60,0
21-50                  320               2,268         30,0
51-70                  320               1,420         55,6

Tabla 4
Hidrocarburos Totales (mg/L) y% de eliminacion para el EEPL y EEPP

                       HT        HT
           Periodo   entrada   salida
Efluente   (dias)    (mg/L)    (mng/L)   % Remocion

EEPL        37-70      78       12,2        84,4
EEPP        37-70      73       19,1        73,8

Tabla 5
Cantidad de Fenoles (mg/L) removida para el EEPL

                    Fenoles          Fenoles
Periodo (dias)   entrada (mg/L)   salida (mg/L)   % Remocion

34-62                1,418            0,913         9,356
63-78                1,944            0,469         9,758
Promedio             1,681            0,69          9,557

Tabla 6
Comportamiento de los fenoles totales (mg/L) para el EEPP

           Fenoles   Fenoles
Periodo    entrada   salida    Cantidad de fenol   % Remocion
(dias)     (mg/L)    (mg/L)     removida(mg/L)

17-19       2,73      0,89           1,84            67,39
20-48       2,21      0,19           2,02            91,40
Promedio    2,47      0,54           1,93            79,39
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Author:Gonzalez, Youseli; Rincon, Nancy; Lopez, Franklin; Diaz, Altamira
Publication:Revista Tecnica
Date:Nov 1, 2007
Words:3670
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