Métodos para la disposición de residuos sólidos petrolizados

Methods for Treatment of Oil Solid Wastes

1. Resumen
3. Materiales y Métodos
4. Resultados y Discusión
5. Conclusiones
6. Bibliografía

RESUMEN

Se montaron a escala de banco tres técnicas de tratamiento de residuos sólidos petrolizados: Biorremediación, Mezclar, Enterrar y Cubrir (MEC) y Dispersión en el terreno o Land Spread (LS). Para el montaje de estas técnicas se utilizaron residuos sólidos petrolizados de un sumidero de gran volumen que contiene desechos producidos fundamentalmente por la perforación de un pozo de alrededor de 5000 m de profundidad en la década de los ochenta. Mediante el empleo del software STATISTICA 5 se generó un diseño experimental de superficie de respuesta no factorial (compósito central)

Se obtuvo como resultados que las técnicas de Mezclar, Enterrar y Cubrir y la Dispersión en el Terreno (Land Spread) no resultan adecuadas para la disposición final de los residuos sólidos petrolizados evaluados en un período de 120 días siendo la técnica de Biorremediación a mas apropiada para el tratamiento y/o disposición final de estos residuos, además de ser una factible económicamente para aplicar a corto plazo

Abstrac

The present paper reports the results of three forms of treatment of oils solids waste Land Spread, Mix ,Berry and Cover and Biorremediation, The best removal of hydrocarbons were obtained with the Biorremediation and it is a technical more appropriated economical and environmental for treated this wastes.

Introducción

La solución ambiental adecuada de los residuos sólidos con altos contenidos de hidrocarburos generados durante los procesos de la perforación, extracción y producción del petróleo se encuentra dentro de las prioridades fundamentales de la industria petrolera.

La contaminación por hidrocarburos tiene un pronunciado efecto sobre las propiedades físicas, químicas y microbiológicas de un suelo, pudiendo impedir o retardar el crecimiento de la vegetación sobre el área contaminada (Luque y otros, 1995) (Lieth y Markert, 1990).

Las técnicas de tratamiento de residuos sólidos consisten en la aplicación de procesos químicos, biológicos o físicos a desechos peligrosos o materiales contaminados a fin de cambiar su estado en forma permanente. Estas técnicas destruyen contaminantes o los modifican a fin de que dejen de ser peligrosos, además pueden reducir la cantidad del material contaminado presente en un lugar, retirar el componente de los desechos que los hace peligrosos o inmovilizar el contaminante en los desechos (Flores y col., 2001).

Las tecnologías conocidas como Landfarming, Land Treatment o Land Application, son métodos de remediación de hidrocarburos de petróleo a través de la Biodegradación. Estas tecnologías consisten en la aplicación al suelo contaminado con hidrocarburos en una capa fina sobre el suelo preparado para tal fin ( Cursi.y Calleja, 2000) (Ercolli y Gálvez, 2000).

Las efectividades de estas metodología dependen de innumerables factores, entre ellos, las características agronómicas, topográficas y microbianas del suelo receptor, características y composición de los residuos aplicados, condiciones climáticas, etc. (Di Paola y Cantero, 2000).

El presente trabajo tiene como objetivo fundamental la evaluación a escala de banco de alternativas de tratamiento y/o disposición final para residuos sólidos petrolizados con vistas a obtener los datos primarios para el escalado de resultados.

Materiales y Métodos

Para la evaluación a escala de banco de estas alternativas de tratamiento se utilizaron los residuos sólidos petrolizados de una piscina (un sumidero de gran volumen que contiene desechos producidos fundamentalmente por la perforación de un pozo de alrededor de 5000 m de profundidad, aunque también se detecta la presencia de otras sustancias de carácter oleoso en el sistema, que han sido vertidas posteriormente.

El sistema analizado consta de dos partes aisladas que no se comunican entre sí, cada una de ellas con un área de aproximadamente 200 m2. Se denominaron según su posición de Norte a Sur como 500 A y 500 B; tomándose muestras de ambas para formar compósito.

Las muestras de residuos sólidos petrolizados fueron colectadas y envasadas en bolsas de aluminio, preservándose en congelación hasta su posterior procesamiento y análisis (ARPEL, 1997) (ISO, 1994)

Mediante el empleo del software STATISTICA 5 se generó un diseño experimental de superficie de respuesta no factorial (compósito central), cuyas características fundamentales se describen a continuación:

Resumen diseño standard: 2 2 cubo + estrella (compósito central)

Número de factores: 2

Número de bloques: 1

Número de corridas: 10 nc = 4 ns = 4 n0 = 2

α para rotabilidad: 1.4142 α para ortogonalidad: 1.0781

BIORREMEDIACIÓN

Se prepararon Composteros en recipientes plásticos redondos con un diámetro de 40 cm y altura de 12 cm, utilizando para ello una mezcla de residuos sólidos petrolizados al 10 % suelo del sistema en análisis, fertilizantes, agua y materiales acondicionantes en diferentes proporciones.

Se utilizaron estiércol y fertilizantes como urea y fosfato de amonio para enriquecer el suelo de nutrientes, de manera que los microorganismos se vieran favorecidos para llevar a cabo la biodegradación del crudo. De igual forma se utilizaron como materiales acondicionantes aserrín y hojarasca, según patente venezolana INTEBIOS (León e Infante, 1998) consultada. La masa final de cada compostero fue de 2 kg. Se realizaron distintas variantes de mezcla buscando identificar la alternativa más adecuada y económica.

De forma simultánea se montaron pruebas de Control de referencia y Control abiótico. El primero constituye una mezcla de suelo e hidrocarburos con aireación y humectación para simular el proceso natural que ocurre en el suelo contaminado. El control abiótico es una mezcla de igual naturaleza pero se inunda con solución de HgCl2 al 2 % para evitar el crecimiento de microorganismos. Los composteros fueron aireados y humectados periódicamente, con excepción del Control abiótico

En la tabla 2 aparece la descripción detallada de los comporteros evaluados:

Tabla 2. Composición de los composteros evaluados

Ensayos de Respirometría

La respirometría fue el ensayo utilizado para evaluar de forma indirecta la actividad microbiológica del suelo durante el proceso de biotratamiento de compuestos orgánicos, a través de la cuantificación del CO2 producido por unidad de tiempo en un área determinada. Esta técnica consiste en colocar pequeños recipientes destapados con KOH (0.1 N) dentro de una cámara invertida con 15 cm de diámetro por 16 cm de alto sobre el área de biotratamiento (compostero).Este permanece por espacio de 18 horas, para posteriormente ser valorado con una solución de HCl (0.1 N). Los valores son expresados teniendo en cuenta el área del suelo dentro de la cámara y el tiempo de exposición. Este ensayo se realizó cada 15 días (Viale e Infante, 1997)

Crecimiento Microbiológico

Como otra medida de monitoreo, se realizó un conteo de microorganismos a cada uno de los composteros. De esta forma se evaluaron como se comporta la concentración bacteriana durante el biotratamiento. El crecimiento bacteriológico se realizó en placas con medio rico de Agar Nutriente, a una temperatura de incubación de 37 oC. Las muestras fueron tomadas cada 15 días. Se procedió según la norma ISO 4833 (1991)

MEZCLAR, ENTERRAR y CUBRIR

El experimento se realizó utilizando columnas de vidrio con fondo plano de forma cilíndrica de 149 cm de altura y 7.9 cm de diámetro, una de las cuales permaneció durante todo el período de ensayo y las otras fueron desechadas después de tomada la muestra para análisis de hidrocarburos.

Se mezcló el suelo con el residuo sólido petrolizado en proporción 3: 1(0.9L:0.3l), esta mezcla se depositó sin compactar en el interior de cada una de las columnas, se cubrió con un volumen de 8 litros (1metro de altura) de suelo limpio perteneciente a las áreas aledañas al sistema en estudio, para simular el método más empleado en Cuba, según se establece en la Regulación Ambiental 01/95 (CIPP, 1995)

DISPERSIÓN EN EL TERRENO (LAND SPREAD)

Para llevar a cabo este montaje experimental se consultó la Regulación Ambiental 01/95 (CIPP, 1995). De esta forma se calcularon los volúmenes correspondientes al suelo limpio y residuos sólidos petrolizados, los valores obtenidos fueron los siguientes:

Análisis Químico

Las muestras fueron tomadas de forma aleatoria con muestreador de sólidos, obteniendo una muestra compósito para cada alternativa de tratamiento en estudio. El tamaño de muestra en todos los casos fue de 100 g. El muestreo se realizó a los 0, 30, 60, 90 y 120 días de montados los experimentos a escala de banco (Abboud, 2000) Los hidrocarburos totales se determinaron según método 5520 (APHA, 1992)

En el proceso de precipitación de asfaltenos se utilizó n- pentano y la fracción concentrada de maltenos se separó en saturados, aromáticos y resinas, utilizando cromatografía de adsorción en columna empacada con alúmina activada. La cuantificación de cada fracción se realizó de forma gravimétrica (Abboud, 2000) (Sawatzky et al., 1976) (University of Alberta, 2000).

Resultados y Discusión

Los resultados obtenidos en el diseño de experimentos seleccionado se resumen a continuación. En el análisis del experimento compósito central para 2 factores, 1 bloque y 9 corridas se obtuvo un CM Residual = 0.8536668, donde la variable dependiente fue el nivel de grasas y aceites al tiempo final.

Como se puede apreciar, los factores analizados fueron el tratamiento empleado y la concentración inicial de grasas y aceites, resultando ambos altamente significativos. La mayor correlación de los efectos se obtuvo entre el tratamiento aplicado y las interacciones de ambos factores, aunque todas resultaron significativas para α = 0.05.

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Correlaciones de los efectos

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En el análisis del experimento compósito central para 2 factores, 1 bloque y 9 corridas se obtuvo un CM Residual = 1.192152, donde la variable dependiente fue el nivel de hidrocarburos totales al tiempo final.

Cuando los factores analizados fueron el tratamiento empleado y la concentración inicial de hidrocarburos totales se observa en la tabla siguiente que ambos resultan altamente significativos para α = 0.05, reflejando que existen diferencias tanto entre los tratamientos aplicados como entre la concentraciσn inicial de contaminante utilizada.

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La mayor correlación de los efectos se obtuvo entre la concentración inicial de hidrocarburos totales y las interacciones de ambos factores, aunque todas resultaron significativas para α = 0.05.

Correlaciones de los efectos

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En la tabla 3 se reportan los resultados del análisis de Grasas y Aceites en el seguimiento de las alternativas de tratamiento y/o disposición de suelos contaminados con residuos sólidos. A partir de los 120 días no se apreciaron cambios significativos en los niveles de remoción de contaminantes en las variantes evaluadas.

A diferencia de las técnicas tradicionales evaluadas (LS y MEC), en todas las muestras que se empleó la Biorremediación se obtuvo una apreciable disminución del contenido de grasas y aceites e hidrocarburos totales (tabla 4), debido a la actividad microbiana existente. Esta biodegradación era de esperar ya que existen las condiciones adecuadas (pH, temperatura, humedad, condiciones aeróbicas y nutrientes) que incentivan la actividad de los microorganismos presentes.

Tabla 3. Contenido de Grasas y Aceites de las alternativas de disposición estudiadas, expresados en %

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Nota: la muestra 1+2 representa el resultado del compósito obtenido de M1 y M2 para el análisis.

En las muestras tratadas por Biorremediación se obtuvo una tasa de biodegradación entre 55 – 75 % para grasas y aceites y entre 63 – 90 % para hidrocarburos totales en 120 días, considerándose este valor satisfactorio de acuerdo a experiencias internacionales ( Cursi.y Calleja, 2000) (Ercolli y Gálvez, 2000) (Di Paola y Cantero, 2000) (ARPEL, 1997). Se debe destacar la significación de este resultado partiendo del hecho que el petróleo utilizado en la realización de este estudio posee características físico – químicas poco favorables para que ocurra una buena biodegradación, principalmente por su elevada viscosidad, que dificulta el mezclado homogéneo con el suelo interfiriendo la interacción microorganismo – hidrocarburo.

La mayor remoción de grasas y aceites (86 – 88 %) y la menor remoción de hidrocarburos (63 – 68 %) en las muestras M5 y M6 está dada por el mayor contenido de materia orgánica y menor contenido de hidrocarburos (muy resistentes a la biodegradación), lo que motiva la degradación preferencial del resto de los compuestos orgánicos presentes que resultan más accesibles a los microorganismos.

Tabla 4. Contenido de hidrocarburos totales de las alternativas de disposición estudiadas, expresados en %.

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El hecho de que en la muestra Control de referencia se haya obtenido una de tasa de biodegradación para grasas y aceites similar a las muestras M1+ M2, y para hidrocarburos similar a las muestras M4, M5 y M6, evidencia la ocurrencia del proceso natural favorecida por la presencia de los nutrientes necesarios en el suelo utilizado en las pruebas de bancos (tabla 5) y por la aireación y humectación periódica que se realizó durante el experimento, lo cual es de vital importancia para el desarrollo de la microbiota degradadora de hidrocarburos y también se corrobora por los altos niveles poblacionales encontrados en esta prueba.

Tabla 5. Contenido de Nitrógeno y Fósforo de los composteros evaluados, expresados en mg/kg.

En la tabla 6 se muestra la variación de la composición por fracciones de los hidrocarburos presentes en estas muestras al inicio y después de 90 días de tratamiento.

Tabla 6. Composición de las fracciones de hidrocarburos presentes (%).

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La mayor remoción de la fracción de saturados se alcanza en las pruebas de Biorremediación, mientras que en las fracciones de aromáticos y resinas se logra con el tratamiento M4. La mayor remoción de la fracción de asfaltenos se obtuvo en la muestra control de referencia.

En los ensayos de respirometría correspondientes a las alternativas de Biorremediación, se puede observar en la tabla 7 que los mayores valores de CO2 generado se obtienen en la Muestra 1+2, evidenciándose que es en ésta donde existe una mayor actividad biológica, dada la mayor disponibilidad de carbono accesible, lo cual se corrobora con los valores obtenidos en el conteo bacteriológico reportado en la tabla 8. En orden decreciente le siguen la Muestra 3 que no contiene acondicionantes del suelo y finalmente la Muestra 4 con aserrín.

Tabla 7. Resultados del ensayo de respirometría, expresados en mg de CO2/m2 h.

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Estas diferencias en la producción de CO2 se deben a que los acondicionantes del suelo utilizados varían en cuanto a su biodegradabilidad, siendo la hojarasca más biodegradable que el aserrín. Es de destacar que en estos ensayos, la utilización de uno u otro material no influye en la biodegradación de hidrocarburos, por lo que cualquiera de los dos puede ser aplicado indistintamente siempre y cuando se mantengan las mismas condiciones en los parámetros restantes (concentración de hidrocarburos, condiciones naturales del suelo, nutrientes, temperatura, humedad, aireación). En la figura 6 se muestra el comportamiento de la producción de CO2 en función del tiempo (t) en las pruebas de Biorremediación, donde se aprecia que las curvas obtenidas siguen la ecuación de un polinomio de orden 5, según se describe:

CO2 = a + b t – c t2 + d t3 -e t4 + f t5

Figura 6. Producción de CO2 en los Ensayos de Respirometría de las pruebas de Biorremediación.

En la tabla siguiente se observa que la carga microbiana de las pruebas de Biorremediación, a las que se adicionaron nutrientes, siempre se mantuvo superior a la carga bacteriana de la muestra Control de referencia, donde no se adicionaron nutrientes.

Tabla 8. Resultados del Conteo bacteriológico, expresados en UFC/mL

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Conclusiones

1. Las técnicas de Mezclar, Enterrar y Cubrir y la Dispersión en el Terreno (Land Spread) no resultaron adecuadas para la disposición final de los residuos sólidos petrolizados evaluados en un período de 120 días.
2. La técnica de Biorremediación resulta la mas apropiada para el tratamiento y/o disposición final de estos residuos.
3. Para las condiciones seguidas en este estudio, se comprobó que la adición de nutrientes y materiales acondicionantes no resultan determinantes para la biodegradación de residuos sólidos petrolizados.
4. Para las muestras 1+2 y 3 se obtuvo una tasa de biodegradación en un periodo de 120 días de 80 % de hidrocarburos, lo que se ajusta a lo reportado en la literatura especializada.
5. La Biorremediación resulta una técnica factible económicamente para aplicar a corto plazo para el tratamiento y/o disposición final de residuos sólidos petrolizados, de acuerdo a los resultados obtenidos a escala de banco.

BIBLIOGRAFÍA

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16. Viale, R. e Infante, C. Protocolo para medir producción de CO2 en suelo. Documento Técnico. INTEVEP. INT- STE – 0966.97. 1997.

MSc José Alfonso Álvarez González,

Lic Esther Ramos Padrón,

Ing. Boris Fernández Guinzbourg,

Lic Ana Núñez Clemente,

Dr. Miguel A. Díaz Díaz,

Téc. Gisela Novoa Rodríguez,

Lic. Sandra Miller Palmer

Centro de Investigaciones del Petróleo.

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