COMBINACIÓN DE TRATAMIENTOS ANAEROBIO-AEROBIO DE AGUAS DE PRODUCCIÓN PROVENIENTES DE LA INDUSTRIA PETROLERA VENEZOLANA.

COMBINACIÓN DE TRATAMIENTOS ANAEROBIO-AEROBIO DE AGUAS DE

PRODUCCIÓN PROVENIENTES DE LA INDUSTRIA PETROLERA

VENEZOLANA.

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: nancycoromotorincon@hotmail.com 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 combinadosque 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

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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 barriles o sea 48.500 m3.

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 re-inyección 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. 7

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Figura 1.-Diagrama esquemático del proceso biológico combinado anaerobio-aerobio

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:

[ ]

[ ]

[ ]

100

Re

%

x

ent

C

sal

C

ent

C

moción

=

−

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).

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Tiempo (Días) D Q O s ol ub le ( m g/ L ) Entrada UASB

Salida UASB y Entrada SBR Salida SBR

APPL

APPM

Figura 2. Evolución de la Demanda Química de Oxígeno (DQO) en el tratamiento combinado Anaerobio-Aerobio de las aguas de producción petroleras.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Tiempo (Días) P o rc en taje de re m o ci ón d e la DQ O sol u bl e Reactor UASB Reactor SBR Combinación de Tratamientos APPL APPM

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).

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 mezcladas I etapa (APPP) Segunda Etapa Parámetros Analizados _Entrada UASB X; N>15 Salida UASB y Entrada SBR X; N>15 (%)Remoción UASB Salida SBR X; N>15 (%)Remoción SBR (%) Remoción en Combinación de tratamientos pH 8 8,14 - 9 - - Alcalinidad (mg CaCO3/L) 2238 2328 - 2405 - - DQO total (mg/L) 700 311 56 150 52 79 Aceites y Grasas (mg/L) 181 70 61 40 42 78 Hidrocarburos Totales (mg/L) 100 32 68 18 44 82 Fenoles Totales (mg/L) 5 0,93 81 0,48 48 90 Muestras Aguas de Producción de petróleo liviano I etapa (APPL) Primera Etapa Parámetros Analizados Entrada UASB X; N>30 Salida UASB y Entrada SBR X; N>30 (%)Remoción UASB Salida SBR X; N>30 (%)Remoción SBR (%) Remoción en Combinación de tratamientos pH 7,50 8,28 - 9 - Alcalinidad (mg CaCO3/L) 2400 2440 - 2468 - DQO total (mg/L) 1400 223 84 75 67 95 Aceites y Grasas (mg/L) 65 53 18 35 35 46 Hidrocarburos Totales (mg/L) 65 38 42 17 55 74 Fenoles Totales (mg/L) 23,49 5,78 75 0,02 99,60 99,90

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

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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

APHA, (1985) Standard Methods for the examination of Water and Wastewater, 16th ed. American Public Helth Assn., Washington D.C.

Macarie, H., (2000) Overview of the application of anaerobic treatment to chemical and petrochemical wastewaters, Water Sci. Tech., vol. 42, 5-6, 201-213.

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 residuales. III Taller y Seminario latinoamericano. Universidad de la República. Montevideo Uruguay.

Decreto nº 883, (1995) Normas para la clasificación y el control de la calidad de los cuerpos de aguas y vertidos o efluentes líquidos. Gaceta oficial de la república de Venezuela, Caracas (Venezuela), 18 de diciembre de 1995, 5021 extraordinaria, sección III, pp. 89-90.

Díaz Altamira (2003) Procédés copules- pré ozonation et traitement biologique aérobie en réacteur SBR- pour le traitement des eaux de production de l’extraction pétrolière. Thèse de Doctorat, Institut National des sciences appliquées de Toulouse (INSA), octobre 2003, nº d’ordre 701 pp. 1-189.