combinación de tratamientos anaerobio-aerobio de aguas

COMBINACIÓN DE TRATAMIENTOS ANAEROBIO-AEROBIO DE AGUAS DE
PRODUCCIÓN PROVENIENTES DE LA INDUSTRIA PETROLERA
VENEZOLANA.
Nancy Rincón(*)
Departamento de Ingeniería Sanitaria y Ambiental (DISA), Escuela de Ingeniería Civil, Facultad de
Ingeniería, La Universidad del Zulia
Estudios realizados: Doctorado en Ingeniería de Procesos y medioambiente en el INSA de
Toulouse- Francia; Maestría de Ingeniería Ambiental en la Universidad del Zulia Venezuela,
Ingeniería Civil en la Universidad del Zulia Venezuela
Cargos Ocupados: Profesora e Investigadora a dedicación exclusiva de la Universidad del Zulia
Venezuela
Elisabeth Behling
Departamento de Ingeniería Sanitaria y Ambiental (DISA), Escuela de Ingeniería Civil, Facultad de
Ingeniería, La Universidad del Zulia
Altamira Díaz
Departamento de Ingeniería Sanitaria y Ambiental (DISA), Escuela de Ingeniería Civil, Facultad de
Ingeniería, La Universidad del Zulia
Dirección postal del autor principal (*): El Amparo Calle Sucre Nº 258 Cabimas-Zulia. Venezuela
Teléfono: 00 58 264 2513697; 00 58 416 8619623
e-mail: [email protected]
RESUMEN
Un tratamiento combinado anaerobio-aerobio se usó para la degradación biológica de las aguas de
producción petroleras venezolanas. Las muestras provenían del Patio de Tanque Ulé ubicado en la
zona occidental del país. Dos tipos de aguas fueron ensayadas, las aguas de producción
provenientes de la extracción de petróleo liviano (APPL) y las aguas mezcladas de distintos crudos
(APPM) (liviano, mediano y pesado) a la salida del clarificador, el cual constituye la última etapa del
tratamiento físico-químico existente en dicho Patio. Dos tipos de reactores fueron colocados en
serie, un reactor anaerobio seguido del reactor aerobio. El reactor anaerobio lo constituyó un
reactor de lecho de lodo con flujo ascendente con sus siglas en inglés UASB, seguido de un
reactor aerobio por carga secuencial SBR. Los reactores tenían 2,5 L de volumen útil. El tiempo de
retención hidráulico fue de 24 horas para cada tratamiento. Los reactores fueron alimentados
durante 133 días con el APPL y luego alimentados al terminar este tiempo con las APPM durante
66 días, este tiempo fue suficiente para la estabilización de los procesos. Los parámetros
constituidos por la demanda bioquímica de oxígeno (DQO), hidrocarburos totales (HT) y fenoles
totales (FT) se utilizaron para comprobar la eficiencia del proceso. Para ellos se midieron estos al
comienzo y final de cada tratamiento. Además para el reactor anaerobio fue medido el volumen de
biogás y la concentración del metano contenido en el biogás, con el fin de verificar el correcto
funcionamiento del sistema anaerobio. Al final se pudo comprobar que la degradación orgánica fue
superior para los procesos combinados que para cada tratamiento biológico por separado siendo
posible recomendarlo como una solución alternativa para el tratamiento de las aguas de
producción.
Palabras clave: Tratamiento aerobio, tratamiento anaerobio, aguas de producción
petroleras, reactores UASB, reactores SBR.
INTRODUCCIÓN
La producción de petróleo es la principal industria de la economía venezolana y representa el 80 %
de las exportaciones efectuadas en el país. En el subsuelo, el petróleo está emulsionado con agua.
Después de la extracción, esta emulsión recibe generalmente un tratamiento físico-químico
mediante la adición de productos de-emulsionantes, eventualmente es calentada y luego
decantada. Para aumentar la recuperación del crudo, el agua recuperada al final de la fase de
decantación sigue un segundo tratamiento físico-químico, en separadores de tipo API seguido de
un clarificador. Por lo general, dichas aguas son inmediatamente reinyectadas en los pozos de
extracción para la recuperación secundaria de petróleo.
Todas las aguas obtenidas de las operaciones de extracción de petróleo son llamadas las “Aguas
de producción”. En el patio de tanques ULE por ejemplo, situado en el estado Zulia (Región
occidental de Venezuela), el volumen de las aguas de producción diario es actualmente de 305.000
3
barriles o sea 48.500 m .
En los próximos años, el volumen de las aguas generadas por la extracción de petróleo va a
sobrepasar las necesidades requeridas para la recuperación secundarias y los sistemas de reinyección serán rápidamente saturados. Además, la descarga al medio ambiente de las aguas de
producción no es posible porque los tratamientos físico-químicos generalmente utilizados no
permiten cumplir con las normas venezolanas de descarga (DQO < 350 mg/L, fenoles < 0,5 mg/L,
hidrocarburos totales < 20 mg/L (Decreto 883). La sociedad venezolana petrolera (PDVSA) está en
la búsqueda de nuevas alternativas para el tratamiento de las aguas de producción en exceso.
Un tratamiento por vía biológica aparece como una alternativa para el tratamiento de las aguas de
producción. Los primeros estudios concernientes al tratamiento anaerobio de los efluentes de la
industria química y petroquímica datan del comienzo de los años 70 y numerosos trabajos fueron
publicados sobre la biodegradabilidad de diferentes compuestos presentes en la industria química
y petroquímica (Macarie, 2000)
Se han realizado trabajos de investigación anteriores para el tratamiento de estas aguas de
producción venezolanas a escala laboratorio utilizando tanto reactores anaerobios como aerobios,
(Rincón et al, 2002, Díaz, 2003) encontrando que en la mayoría de las veces, cuando se utiliza el
proceso anaerobio solo, se requiere de un tratamiento posterior para la remoción de residuos
orgánicos remanentes; haciéndose necesario el estudio de la alternativa del tratamiento aeróbico
como sistema de pulimento de estas aguas de producción, luego del tratamiento anaerobio, con el
fin de reducir las concentraciones de los mismos a los niveles permisibles de descargas a cuerpos
de aguas.
El objetivo de esta investigación es estudiar la biodegradabilidad utilizando la combinación de
tratamientos anaerobio-aerobio para las aguas de producción de petróleo liviano (APPL) y para las
aguas mezcladas (APPM) provenientes del patio de tanques ULÉ (Tía Juana), con el fin de obtener
un efluente tratado que cumpla con las normas de descargas al medio ambiente.
METODOLOGÍA EMPLEADA
CAPTACIÓN DE LAS MUESTRAS
La captación de las aguas de producción de petróleo liviano (APPL) y de petróleo mezcladas
(APPM), se realizó mediante una toma disponible en el Patio de Tanques ULÉ, Tía Juana, Costa
Oriental del Lago, Estado Zulia.
El efluente colectado se almacenó en garrafas de 25 litros de capacidad, las mismas se trasladaron
al laboratorio de Ingeniería Sanitaria y Ambiental (DISA) de la Facultad de Ingeniería y se
refrigeraron a 4°C para su conservación. El tipo de muestreo fue simple efectuándose
aproximadamente cada 15 días.
CARACTERÍSTICAS DE LOS REACTORES USADOS.
Para la realización de la investigación, se utilizaron dos reactores, un reactor anaeróbico de manto
de lodo con flujo ascendente (UASB) de 2,5 L de volumen útil, y un reactor aeróbico de carga
secuencial (SBR) de 2,5 litros de volumen de operación. El montaje del sistema se presenta en la
Figura 1. El tiempo de retención hidráulico para cada reactor fue de 24 horas. La temperatura para
el digestor anaerobio fue regulada a 37 ºC y para el reactor aerobio fue conservada la temperatura
ambiente de aproximadamente 28 ºC.
5
6
7
10
4
9
3
1
8
11
2
Figura 1.-Diagrama esquemático del proceso biológico combinado anaerobioaerobio
1.- Recipiente de 20 litros de efluente bruto (agua de producción petrolera). 2.- Bomba
Peristáltica. 3.- Regulador de Flujo 4.- Reactor anaeróbico de manto de lodo de flujo
ascendente (UASB). 5.- Baño 6.- Colector de biogás 7.- Tanque de agua acidificada
(H2SO4) 8.- Afluente pre tratado anaerobicamente. 9.- Reactor aeróbico por carga
secuencial (SBR). 10.- Flujo de aire. 11.- Efluente tratado aerobicamente
MONTAJE DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO BIOLOGICO ANAEROBIO-AEROBIO Y TOMA DE MUESTRA
El sistema combinado (anaerobio-aerobio) operó durante 195 días. El esquema del sistema
experimental, se presenta en la Figura 1. El estudio se realizó en dos etapas, se alimentó el
reactor anaeróbico UASB en la primera etapa con las aguas de producción de petróleo liviano
(APPL) durante 133 días y para la segunda etapa con las aguas de producción de petróleo
mezcladas (APPM) durante 66 días, utilizando el mismo reactor.
El efluente tratado en el reactor anaeróbico fue utilizado como influente en el reactor aeróbico.
Durante toda la experimentación, se usó un solo reactor anaerobio y aerobio. El reactor aeróbico
se inoculó con lodo aerobio proveniente de una planta de tratamiento de aguas residuales
domésticas de la localidad y el anaeróbico con lodo granular proveniente de un reactor UASB a
escala industrial de una planta cervecera de la localidad.
En el experimento se estudió la eficiencia en remoción orgánica utilizando la combinación de
tratamientos biológicos. La eficiencia del sistema biológico se midió en función a la remoción
orgánica medida como Demanda Química de Oxigeno (DQO), fenoles totales, aceites y grasas e
hidrocarburos totales. Para ello se calculó el promedio de estas concentraciones tanto a la entrada
como a la salida del sistema de tratamiento, luego se calculó el porcentaje de remoción de cada
parámetro, utilizando la ecuación 1:
% Re moción =
[C ]ent − [C ]sal x100
[C ]ent
(Ec. 1)
Para la determinación de los parámetros antes mencionados se utilizó la metodología estándar
sugerida en el APHA, (1985).
RESULTADOS Y DISCUSION
REMOCIÓN ORGÁNICA MEDIDA COMO DQO
Durante la experimentación se siguió la evolución de la demanda química de oxígeno y el
porcentaje de remoción de la DQO durante las dos etapas continuas de tratamiento combinado
como se presenta en las Figuras 2 y 3.
Para la primera etapa del tratamiento correspondiente a las APPL la evaluación del proceso se
mantuvo durante 133 días continuos y se observó que a pesar de que las muestras fueron
recolectadas en distintas momentos, los valores de la DQO se mantuvieron cercanos, en el rango
de concentraciones entre 1100 a 1230 mg/L. A la salida del reactor anaerobio los valores de DQO
se encontraron entre 176 y 264 mg/L (Figura 2). Estos resultados corroboran la alta
biodegradabilidad anaerobia que presenta esta agua y que ya se había demostrado en un estudio
anterior para las APPL de Ulé (Rincón et al, 2003). El porcentaje de remoción en promedio para el
tratamiento anaerobio con el reactor UASB fue de 80 % (Figura 3).
El efluente de este reactor sufrió luego un post-tratamiento aerobio. Durante esa fase la
degradación alcanzó un porcentaje promedio de 70%, sin embargo fue vista una variabilidad
amplia del porcentaje entre 60 y 80 % durante el periodo de estudio (Figura 3). La DQO soluble a la
salida estuvo por debajo de 85 mg/L (Figura 2).
La remoción total durante la combinación de tratamientos alcanza el 95 % en promedio mayor que
la degradación obtenida para los tratamientos por separados para el APPL.
Para la segunda etapa de tratamiento correspondiente a las aguas de producción mezcladas
(APPM) se obtuvo lo siguiente:
1.- Las aguas contenían una cantidad inferior de materia orgánica, la DQO estuvo alrededor de los
600 mg/L. Esto es debido a que estas muestras se colectan luego del tratamiento físico químico
existente en el patio de tanques y además ellas vienen de la mezclas de otras segregaciones
además de las del liviano como aguas de producción de petróleo mediano y pesado que no son
estudiada en este trabajo. Sin embargo, su tratamiento es necesario ya que no llega a cumplir con
las regulaciones venezolanas para descarga a cuerpos de aguas (Decreto, 883).
1400
APPL
APPM
1200
DQO soluble (mg/L)
1000
800
Entrada UASB
600
Salida UASB y Entrada SBR
Salida SBR
400
200
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Tiempo (Días)
Figura 2. Evolución de la Demanda Química de Oxígeno (DQO) en el tratamiento
combinado Anaerobio-Aerobio de las aguas de producción petroleras.
100
APPM
Porcentaje de remoción de la DQO soluble
90
80
70
60
APPL
50
40
30
20
Reactor UASB
Reactor SBR
Combinación de Tratamientos
10
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Tiempo (Días)
Figura 3. Evolución del Porcentaje de remoción de la DQO en el tratamiento combinado
Anaerobio-Aerobio de las aguas de producción petroleras.
2.- En la primera fase de tratamiento correspondiente al reactor UASB se observó una reducción
promedio de la DQO de 50 %, también fue alrededor al 50 % para el tratamiento de este efluente al
entrar al reactor aerobio y para la combinación de tratamiento se obtuvo una eficiencia total del 75
% en promedio (Figura 3). Si se compara este resultado con las APPL se puede observar que la
degradación de las APPM es inferior que el encontrado para las APPL. Sin embargo las
concentraciones finales se encuentran dentro de los límites aceptados para descarga en cuanto a
este parámetro (DQO< 350 mg/L).
Para ambos casos la degradación biológica obtenida para cada tratamiento por separado fue
menor que el obtenido para la combinación demostrándose así la factibilidad del uso de esta
alternativa de tratamiento.
Resultados similares se han obtenidos para otros tipos de aguas residuales utilizando combinación
de tratamiento anaerobio-aerobio. Por ejemplo Vidal et al, 1994 al evaluar la depuración de licores
negros generados de la pulpa alcalina termomecánica del cáñamo; mediante un tratamiento
anaerobio llevado a cabo en un reactor UASB de 2 litros de volumen donde el efluente será tratado
posteriormente en un reactor aeróbico de 5 litros el cual operaba con un sedimentador en serie. En
el reactor anaerobio se consiguió una eliminación de DQO de 48,4 %, mientras que la eliminación
del tratamiento anaerobio-aerobio fue de 74,3 %.
De igual manera De Sousa J. T. y Foresti E. (1994), obtuvieron resultados similares al
tratar aguas residuales domésticas a través de un sistema combinado anaerobio-aerobio,
constituido de dos unidades a escala laboratorio, siendo la primera un reactor anaeróbico UASB y
una segunda unidad constituida de dos reactores secuénciales por carga SBR. En el reactor
anaerobio se consiguió una eliminación de DQO promedio superior a 80 %, el porcentaje de
remoción después del tratamiento aerobio fue de 8%, mientras que la eliminación del tratamiento
anaerobio-aerobio fue mayor al 95%.
REMOCIÓN DE LOS OTROS PARÁMETROS EVALUADOS
Otros parámetros también fueron evaluados durante el estudio, los resultados se muestran en la
Tabla 1 y 2.
La combinación de tratamientos también se justifica debido a que existen contaminantes como por
ejemplo los fenoles totales, aceites y grasas e hidrocarburos totales presentes tanto en las aguas
de producción APPL como en APPM que luego del tratamiento anaerobio se encuentran por
encima del valor exigido para descarga ver Tabla 1 y 2.
Puede observarse que luego de la combinación de los tratamientos y para ambas aguas con
excepción a los aceites y grasas los resultados encontrados estuvieron por encima del 74 % de
remoción y por debajo de los valores exigidos para descarga para estos parámetros tanto para
fenoles totales e hidrocarburos totales y DQO total, quedando recomendar un tratamiento posterior
para los aceites y grasas que son difíciles de utilizar los microorganismos biológicos que debido a
su bajo grado de solubilidad no se encuentran fácilmente disponibles para ellos, viéndose limitante
la etapa de hidrólisis del sustrato.
Tabla 1.- Tratamiento combinado anaerobio-aerobio en las aguas provenientes de la
extracción de petróleo liviano (APPL).
Muestras Aguas de
Producción de petróleo
liviano
I etapa
Parámetros
Analizados
pH
Alcalinidad
(mg CaCO3/L)
DQO total
(mg/L)
Aceites y
Grasas
(mg/L)
Hidrocarburos
Totales
(mg/L)
Fenoles
Totales
(mg/L)
(APPL)
Primera Etapa
(%)
Remoción en
Salida (%)Remoción
Combinación
SBR
SBR
de
X; N>30
tratamientos
Entrada
UASB
X; N>30
Salida
UASB y
Entrada
SBR
X; N>30
7,50
8,28
-
9
-
2400
2440
-
2468
-
1400
223
84
75
67
95
65
53
18
35
35
46
65
38
42
17
55
74
23,49
5,78
75
0,02
99,60
99,90
(%)Remoción
UASB
X=promedio; N= número de muestras
Tabla 2.- Tratamiento combinado anaerobio-aerobio en las aguas provenientes de las aguas
mezcladas a la salida del clarificador existente en el Patio de Tanques Ulé (APPM).
Muestras Aguas de Producción
(APPP)
mezcladas
Segunda Etapa
I etapa
Parámetros
Salida
(%)
Analizados
Entrada
(%)Remoción
Salida
(%)Remoción
UASB y
Remoción en
UASB
X; N>15
Entrada
SBR
X; N>15
UASB
8
8,14
-
Alcalinidad
(mg CaCO3/L)
2238
2328
DQO total
(mg/L)
700
Aceites y
Grasas (mg/L)
Hidrocarburos
Totales (mg/L)
pH
Fenoles Totales
(mg/L)
SBR
X; N>15
SBR
Combinación
de tratamientos
9
-
-
-
2405
-
-
311
56
150
52
79
181
70
61
40
42
78
100
32
68
18
44
82
5
0,93
81
0,48
48
90
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El tratamiento combinado anaerobio-aerobio fue efectivo para reducir las concentraciones
de DQO, Hidrocarburos Totales y Fenoles. Los porcentajes de remoción en el proceso global
fueron mayores que la de los procesos anaerobio y aerobio por separado.
El tratamiento combinado anaerobio-aerobio reduce las concentraciones de DQO,
Hidrocarburos Totales y fenoles a los límites permisibles de descargas a cuerpos de agua (Norma
venezolana: DQO< 350mg/L, Hidrocarburos totales< 20 mg/L, Fenoles< 0,50 mg/L Aceites y
Grasas < 20 mg/L), a excepción de los aceites y las grasas que no cumplen con la norma. Por lo
tanto, la combinación anaerobio-aerobio puede ser considerada una alternativa viable para el
tratamiento biológico de las aguas de producción petrolera.
Se recomienda utilizar un tratamiento adicional para remover los aceites y grasas que el
sistema biológico no puede eliminar, además de la realización del estudio piloto para la alternativa
de tratamiento demostrada a escala laboratorio, con el fin de validar los resultados obtenidos en
esta etapa.
AGRADECIMIENTO
La realización de este trabajo fue posible gracias al apoyo del Consejo de Desarrollo de la
Universidad del Zulia.
BIBLIOGRAFIA
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American Public Helth Assn., Washington D.C.
Macarie, H., (2000) Overview of the application of anaerobic treatment to chemical and
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Rincón N, Chacín E., Marín J., Torrijos M., Moletta M. and Fernández N. (2003) Anaerobic
biodegradability of water separated from extracted crude oil, Environmental Technology, Vol. 24.
963-970.
Vidal, G. Kortekass, S. Field, J. Lema, J.,(1994) Tratamiento anaerobio y post-tratamiento
aerobio de licores negros provenientes de la digestión termomecánica del cáñamo. Tratamiento
anaerobio de aguas residuales. III Taller y Seminario latinoamericano. Universidad de la República.
Montevideo Uruguay 439-442
De Sousa. y Foresti (1994) Post-Treatment of Up-flow Anaerobic Sludge Blanket (UASB)
reactor effluents in Aerobic Sequencing Batch Reactors (SBR). Tratamiento anaerobio de aguas
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Decreto nº 883, (1995) Normas para la clasificación y el control de la calidad de los
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