Utilización de fangos digeridos en el proceso de biorremediación de residuos sólidos petrolizados (página 2)

Materiales y Métodos.

La Cantera Birama (Ver Figura 1) es una zona ubicada en la costa norte de la provincia de Matanzas, donde la Empresa de Perforación – Extracción de Petróleo Centro (EPEP Centro), por años ha estado depositando los desechos de perforación, extracción y comercialización de petróleo crudo sin tratamiento alguno. Actualmente este lugar se encuentra saturado, por el gran volumen de desechos sólidos que almacena, lo que resulta necesario brindar una solución lo antes posible y que sea ambientalmente segura.

Figura 1. Cantera Birama

El tratamiento de Biorremediación no se aplicó directamente a los residuos sólidos almacenados en la cantera, sino a los localizados en una zona aledaña a esta. (Ver Figura 2),

Figura 2. Vista del Área a tratar.

Las dimensiones del área tratada fueron: Largo: 150 m, Ancho: 15 m, Profundidad: 0.50 m, Volumen de residuo sólido petrolizado inicial: 1 125 m3 Se realizaron nuevas incorporaciones de residuos no contempladas sin autorización de los ejecutores del proyecto, en los meses de Mayo y Agosto (12 m3 respectivamente), por lo que el volumen final de residuo sólido petrolizado tratado fue de 1 149 m 3

Toma de muestras de suelo, residuo sólido petrolizado y lodo Residual

Para la toma de muestra de residuos sólido petrolizado, se utilizó un muestreo tipo estrella recomendado por el especialista japonés Dr. Itaru Okuda. Las muestras fueron colectadas y envasadas en bolsas de aluminio (ISO 5667) que se preservaron en congelación hasta su posterior procesamiento y análisis. Además, fueron homogenizadas, secadas, y tamizadas a través de un tamiz de 2 mm, de donde se tomó una muestra representativa para ser analizada.

La muestra de lodo residual o fango digerido fue tomada puntualmente en la descarga final de lodos residuales o fangos digeridos hacia el lecho de secado de la planta de tratamiento de aguas residuales urbanas Taino I. La muestra fue envasada en frascos estériles de 1 litro de capacidad y conservadas en frío hasta su utilización en el laboratorio de microbiología (ISO 10381–6, 1993). Para posteriormente realizarle el conteo de microorganismos, y determinar la concentración de nutrientes.

Caracterización química y microbiológica del residuo sólido petrolizado y del lodo residual o fango digerido.

1. Se procedió a la determinación de grasas y aceites, hidrocarburos totales del petróleo, nitrógeno total, fósforo total, Microorganismos Heterótrofos Totales, Microorganismos Biodegradadores y Contenido de metales pesados, según normas establecidas.

   Para la determinación de metales, las muestras se sometieron a un tratamiento previo de limpieza de materias extrañas, secado y tamizado, para su posterior tratamiento químico con una mezcla ácida de HNO3/H2O2/ HCl, según norma EPA 3050B. Las soluciones obtenidas por duplicado fueron analizadas en un espectrofotómetro de absorción atómica GBC, modelo AVANTAS .

2. Residuo sólido petrolizado.
3. Lodo Residual o Fango Digerido.

Se determinaron los contenidos de nitrógeno y fósforo total, Microorganismos Heterótrofos Totales, Microorganismos Biodegradadores, según métodos estándares.

Aplicación de la Biorremediación para tratar los residuos sólidos petrolizados de la Cantera Birama.

Se le aplicó el proceso de Biorremediación a la mezcla de residuo sólido petrolizado – suelo limpio, ubicados en la zona perimetral de la piscina de la Cantera Birama. El proceso de Biorremediación fue aplicado tal como se describe a continuación:

1. Se realizó la remoción de la mezcla de suelo limpio + residuo utilizando equipo mecánico apropiado (buldózer acoplado a rúster), lográndose la homogenización del área. (Ver Figura 3)

   

   Figura 3. Homogenización

2. Homogenización del área impactada.

   En este trabajo se utilizó como fuente de nutrientes esenciales, nitrógeno, fósforo y potasio, que estimulan el crecimiento microbiano, el lodo residual o fango digerido, generado en la Planta Taíno 1 perteneciente a la empresa Aguas Varadero, la cual brinda tratamiento a las aguas residuales albañales de un complejo hotelero de la Península de Hicacos.

   Estudios previos realizados a escala de banco por Álvarez y col., 2004, reportaron dosis de aplicación de lodos residuales en un rango entre 0.01 y 1.5% del volumen de residuo sólido a tratar, con el cual se calcularon las dosis del residual a añadir. Se realizaron dos adiciones de estos desechos, mediante carros cisternas, durante el montaje del tratamiento y a los 80 días. A los 90 días se realizó fertilización manual de lodo residual seco. Las figuras 4 – 9 muestran la operación producción – fertilización realizada en el proceso de biorremediación aplicado.

3. Adición de Lodo Residual como fuente de Nutrientes.

Figura 4. Planta Taíno 1

1.  

   Figura 5. Espesador de lodo residual

    

   Figura 6. Carga del lodo

   

   Figura 7. Fertilización del área

   

   Figura 8. Fertilización manual

   

   Figura 9. Fertilización manual

2. Humectación y Aireación.

La Biorremediación es un proceso fundamentalmente aerobio, por lo que es necesaria la incorporación de oxígeno periódica al suelo. Esta actividad se logró mediante buldózer acoplado a ruster (Figura 10), con frecuencia mensual. La humectación artificial se realizó utilizando carro cisterna por única vez en la fase de montaje del tratamiento (Figura 11). Las precipitaciones ocurridas durante el tiempo del proceso garantizaron las condiciones de humedad necesarias, 60- 80 %, para el buen desarrollo del proceso.

Figura 10. Aireación

Figura 11. Humectación

Seguimiento analítico del tratamiento de Biorremediación aplicado.

Para determinar la efectividad del tratamiento aplicado se realizaron los siguientes análisis físicos – químicos:

Se realizó el perfil cromatográfico cualitativo a la fracción de hidrocarburos saturados y aromáticos, empleando un cromatógrafo gaseoso KONIK, serie 400B con detector de ionización a la llama (FID) con columna capilar de fase estacionaria BP – 5 de 30 m de largo, 0.32 mm d.i. y 0.5µm de espesor de película.

El % de remoción de hidrocarburos se calculó según la siguiente expresión:

Resultados y Discusión.

1. Caracterización química y microbiológica del residuo sólido petrolizado de la Cantera Birama.

El residuo sólido petrolizado (RSP) dispuesto en zona aledaña a la Cantera Birama, EPEP Centro, Matanzas, al cual se le aplicará el proceso de Biorremediación mediante la técnica de bioestimulación de los microorganismos presentes en el mismo, está compuesto principalmente por suelos contaminados por hidrocarburos debido a averías en el sistema de comercialización del petróleo crudo (piteras en oleoductos, almacenamiento, carga , descarga, etc.), residuos de perforación que se generan en el proceso de extracción de petróleo, y por prácticas inadecuadas de limpieza de carros cisternas utilizados en la transportación de crudos.

En las tablas 1-3 se reportan las características químicas y microbiológicas del residuo antes mencionado.

Tabla 1. Caracterización química del RSP, expresada en mg/Kg base seca.

RSP: Residuo Sólido Petrolizado G/A: Grasas y Aceites

HCTP: Hidrocarburos Totales del Petróleo, NT: Nitrógeno total PT: Fósforo total

Como se puede apreciar en la tabla anterior, los valores de concentración de grasas y aceites e hidrocarburos resultaron ser muy elevados, niveles normales a encontrar en estos residuos. Se aprecia además, que los valores de nitrógeno y fósforo total son bajos, lo cual indica la necesidad de adicionar alguna fuente de éstos nutrientes para que el proceso de biorremediación se lleve a cabo satisfactoriamente.

Tabla 2. Concentraciones de microorganismos totales y biodegradadores, expresados en UFC/g

RSP: Residuo Sólido Petrolizado

En la tabla 2 se reportan las concentraciones de microorganismos heterótrofos totales y biodegradadores presentes en el residuo sólido petrolizado a tratar, las cuales se encuentran dentro del rango reportado por otros autores (Ercoli, 2000 e Infante, 2001) para lograr un desarrollo satisfactorio del proceso de Biorremediación mediante la técnica de bioestimulación, entre 105 a 106 UFC/g suelo para el caso de microorganismos heterótrofos totales y entre 103 a 104 UFC/g suelo para microorganismos degradadores.

Tabla 3. Niveles de sustancias tóxicas presentes en el residuo sólido petrolizado, expresados en µg/g

1. Regulación 08/99, CUPET

Como se puede observar en la tabla 3, los niveles de concentración de Pb, Zn, Cr y Ba se encuentran por debajo de lo estipulado en la norma de referencia. Los demás sustancias reportadas, aún en bajas concentraciones, sus valores están dados por la utilización de éstas en la formulación de los lodos utilizados en el proceso de perforación de los pozos de petróleo.

1. En la tabla 4 se reportan los niveles de microorganismos totales, biodegradadores y nutrientes del fango digerido utilizado en la bioestimulación de los microorganismos autóctonos del residuo sólido petrolizado de la zona aledaña a la piscina de la cantera Birama.

   Tabla 4. Microorganismos totales, biodegradadores y nutrientes.

   Muestra	Bacterias Aeróbicas Totales (UFC/g suelo)	Bacterias Biodegradadoras de H/C (UFC/g suelo)	Nitrógeno (mg/kg)	Fósforo (mg/kg)
   Lodo Residual	7,50 x 108	2,5 x 107	2.58	0.56

   Es de señalar que aunque los niveles encontrados de nitrógeno total y fósforo total para la muestra puntual analizada de lodo residual resultaron ser bajos, para la media reportada en la literatura entre 3 – 4% (Ameneiros et al, 2003), se decidió, por experiencias satisfactorias de los autores en el año 2005, obtenidas en el tratamiento de residuos sólidos petrolizados a escala de banco, utilizar estos lodos o fangos digeridos de la Planta Taíno 1 como fuente de nutrientes en el proceso de Biorremediación a escala de campo, brindando de esta forma, una disposición final ambientalmente segura a estos desechos.

2. Caracterización química y microbiológica del lodo residual o fango digerido de la planta de tratamiento de aguas albañales Taino 1
3. Seguimiento del tratamiento de Biorremediación aplicado.

En la Tabla 5 se reportan los resultados de los parámetros fundamentales medidos para el seguimiento del proceso de Biorremediación de los residuos sólidos petrolizados antes mencionados.

Tabla 5. Resultados obtenidos en el tratamiento de biorremediación aplicado.

1. % Remoción con respecto a las Grasas y Aceites.
2. % Remoción con respecto a los Hidrocarburos Totales del Petróleo.

El pH del suelo del área de tratamiento se mantuvo dentro de lo recomendado por otros autores (Ercoli, 2001) (Infante, 2001), favoreciendo así el buen desarrollo y crecimiento de la microflora autóctona existente.

En la tabla anterior se observa una disminución de los niveles de las grasas y aceites en el tiempo. En el caso de los hidrocarburos totales del petróleo a los 80 días se obtienen valores muy cercanos al 1%, nivel éste recomendado por las normas internacionales para dar por concluido el proceso de Biorremediación (Louisiana, 2000).

En la Figura 12 – 13 se observa de forma gráfica la notable mejoría y recuperación del terreno tratado y crecimiento de vegetación en la zona de tratamiento.

Figura 12. Terreno recuperado

Crecimiento de vegetación

Durante los primeros 30 días, ocurre una disminución en la concentración de las grasas y aceites e hidrocarburos totales del petróleo, representada por una tasa de degradación del 25.76 y 34.66% respectivamente, resultado superior al 25 % recomendado por otros autores como satisfactorios para este tipo de proceso (Infante, 2001) (Ercoli, 2001). En general, a los 110 días de aplicado el tratamiento se obtuvo una reducción en el contenido de hidrocarburos totales del 92.71 %, y del 50.49 % para las grasas y aceites, valores favorables para este tipo de tratamiento.

En las figuras 14 -15 se observan de forma gráfica las variaciones de las concentraciones de grasas y aceites e hidrocarburos del petróleo, así como las nuevas incorporaciones de residuos sólidos petrolizados ocurridos durante el período evaluado en este reporte (Fig13 -14).

La tabla 5 muestra además, las variaciones de los contenidos de Nitrógeno y Fósforo total en el área tratada, apreciándose una marcada disminución en el tiempo de los niveles de estas sustancias, debido a su utilización por los microorganismos como nutrientes esenciales para su crecimiento y el desarrollo del proceso biodegradativo, resultando suficiente los niveles de estos compuestos en el lodo residual para el buen desarrollo del proceso de degradación de hidrocarburos.

Figura 13. Variación de los niveles de grasas y aceites en el tiempo

Figura 14. Variación de los niveles de hidrocarburos en el tiempo

En la tabla 6 se reportan los niveles de concentración de los componentes del petróleo total extraídos del suelo en el tiempo (saturados, aromáticos, resinas y asfaltenos). La mayor concentración de hidrocarburos en el área, pertenece a la fracción de Resinas y Asfaltenos, constituyendo una parte importante del petróleo extraído, 63.72%, considerados ambas fracciones como resistentes y de velocidades lentas de biodegradación, a los 80 días se obtuvieron tasas de biodegradación en cuanto a la fracción de Resinas del 9.2 % y de 42 % para la de Asfaltenos Esto corrobora lo señalado por otros autores (Ercoli, 2001) (Infante, 2001), que todas las fracciones del petróleo son biodegradables.

Tabla 6. Niveles de concentración de las fracciones de hidrocarburos del petróleo y sustancias relacionadas, expresadas en mg/Kg.

Por otra parte en la tabla 6, se observa una disminución de la concentración de los hidrocarburos saturados en el tiempo, debido a que esta fracción la conforman los sustratos más susceptibles de degradar por los microorganismos (Figura 16). Con relación al contenido de hidrocarburos aromáticos se aprecia además en la figura antes mencionada, una disminución al final del periodo analizado de un 90.9%, resultado que se corresponde con el perfil cromatográfico cualitativo de la fracción F2.

Figura 16. Perfil Cromatográfico

Los niveles de concentración relativamente bajos de Hidrocarburos Saturados Resueltos muestran el carácter poco parafínico del petróleo contaminante del suelo tratado.

En la tabla 7 se reportan las concentraciones de microorganismos encontrados en la zona de tratamiento a diferentes tiempos.

A partir del montaje aumentó la concentración de microorganismos biodegradadores, alcanzándose valores del orden de 107, siendo esta muy superior a la concentración mínima establecida por Saracino y otros autores, 2001, entre 103 y 104, lo que puede deberse a la incorporación del lodo residual de las plantas de tratamientos de aguas residuales domésticas que posee alta carga microbiana degradadora de hidrocarburos y no se asegura hasta tanto no se concluyan los estudios que se realizan.

Además, debe destacarse, que aunque la concentración de los microorganismos totales no aumentó en el tiempo, se obtuvieron valores del orden de 109, muy favorables para estos procesos biodegradativos.

Tabla 7. Comportamiento de las Poblaciones Microbianas y Producción de CO2.

En la figura 17 se muestra el comportamiento de la producción de CO2, observándose patrones típicos de procesos biodegradativos que indican que se esta llevando a cabo la biodegradación del residuo sólido petrolizado, entre 60 y 71(mg de CO2 /cm2h), los cuales resultan satisfactorios para el proceso de biorremediación, según experiencias de los autores en trabajos realizados a escala de campo (Álvarez y otros, 2005).

Figura 17. Producción de CO2

Conclusiones y Recomendaciones.

• Conclusiones

1. El residuo sólido petrolizado depositado en áreas exteriores de la Cantera Birama presenta concentraciones elevadas de grasas y aceites, e hidrocarburos totales del petróleo, predominando en su composición las fracciones más recalcitrantes al proceso biodegradativo, resinas y asfaltenos.
2. La concentración de bacterias aerobias totales y biodegradadoras presentes en el residuo sólido petrolizado se encuentra por encima del rango establecido para llevar a cabo satisfactoriamente el proceso de Biorremediación mediante la técnica bioestimulación.
3. Se encontraron bajos niveles de nitrógeno y fósforo en la muestra analizada de lodo residual de la planta de tratamiento de aguas residuales domésticas Taíno 1 perteneciente a Aguas Varadero.
4. Las altas concentraciones de microorganismos heterótrofos totales y biodegradadores presentes en el lodo residual de la planta de tratamiento de aguas albañales Taino 1, hacen de este residuo una fuente importante de aporte de microorganismos al tratamiento biológico de residuos sólidos orgánicos.
5. El proceso de Biorremediación aplicado a los residuos sólidos petrolizados dispuestos en el área exterior a la piscina de la Cantera Birama resultó satisfactorio, lográndose reducir los niveles de hidrocarburos totales del petróleo hasta valores cercanos al 1%, límite recomendado por la literatura especializada para suelos recuperados mediante procesos biológicos, permitiendo realizar nuevas incorporaciones controladas de residuos en el área.
6. El perfil cromatográfico muestra de forma cualitativa la disminución marcada de la fracción de aromáticos en el tiempo.
7. Se obtuvieron significativas tasas de biodegradación para la fracción de Asfaltenos, 42%, consideradas resistentes al proceso de degradación por la acción de los microorganismos.
8. Los niveles de nitrógeno y fósforo en el lodo residual resultaron suficiente para el desarrollo y crecimiento de los microorganismos en el proceso de degradación de hidrocarburos.
9. El análisis económico del proceso de biorremediación aplicado reportó valores bajos por m3 de residuo sólido petrolizado tratado, resultando una tecnología de fácil aplicación y con beneficios económicos importantes.

• Recomendaciones.

2. Aplicar el proceso de biorremediación para tratar los residuos sólidos petrolizados dispuestos en la piscina de la Cantera Birama e incorporación controlada de éstos en el área donde se ha efectuado el tratamiento aquí expuesto.
3. Utilizar el lodo residual o fango digerido de las plantas de tratamiento de aguas albañales domésticas como fuente de nutrientes esenciales en el proceso de Biorremediación de hidrocarburos y así brindar una disposición ambientalmente segura a estos desechos.
4. Concluir estudios de la utilización de los lodos residuales de las plantas de tratamiento de aguas albañales como fuente de microorganismos biodegradadores en el proceso de biorremediación de suelos contaminados por hidrocarburos y residuos sólidos petrolizados.

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Agradecimientos

Los autores quieren agradecer a todo el personal técnico y obreros de la empresa donde se desarrolló este proyecto y en especial a los Drs. Carmen Infante, Pablo Negrais, por sus conocimientos brindados.

MSc. José Alfonso Álvarez González,

Téc. Gisela Novoa Rodríguez,

Ing. Roberto Romero Silva,

MSc. Ana C. Núñez Clemente,

Dr. Miguel A. Díaz Díaz,

Lic. Sandra Millar Palmer,

Téc. Ahiram López Díaz,

Téc. Isabel López Escobar,

Téc. Cristina Laffita Rivera,

Téc. Isabel López Escobar,

Téc. Elsa Sánchez Sotolongo