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

Youseli González, Nancy Rincón, Franklin López y Altamira Díaz*

Departamento de Ingeniería Sanitaria y Ambiental (DISA), Facultad de Ingeniería, Universidad del Zulia, Apartado 526. Maracaibo, Venezuela. +582617598852. *aldiaz@luz.edu.ve, adiaz2430@hotmail.com

Tía Juana Liviano (TJL), Urdaneta Pesado (UP) oil wastewaters from the Tank-Yard Ulé 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.

Remoción de materia orgánica presente en efluentes petroleros utilizando un reactor por carga secuencial (SBR) a escala laboratorio

El tratamiento de las aguas de producción de petróleo, Tía Juana Liviano (TJL) y Urdaneta Pesado (UP), proveniente del Patio de Tanque ULÉ, ubicado en la Costa Oriental del Lago de Maracaibo, se estudió bajo condiciones aerobias, utilizando reactores secuenciales por carga (SBR) de operación continua, construidos a escala de laboratorio, determinándose la eficiencia del sistema en la remoción de materia orgánica biodegradable, hidrocarburos y fenoles totales. El agua de producción fue caracterizada para conocer sus condiciones de entrada y salida además de verificar si la descarga cumplía con los límites permisibles para descargas, establecidos por la legislación venezolana. Los parámetros evaluados fueron pH, Alcalinidad, SST, SSV, OD, DQO, COT, nitrógeno, hidrocarburos y fenoles totales. En el Efluente Producto de la Extracción de Petróleo Liviano (EEPL) los porcentajes de remoción de la Demanda Química de Oxígeno (DQO), Fenoles e Hidrocarburos Totales, alcanzaron hasta un 96%; mientras que para el Efluente Producto de la Extracción de Petróleo Pesado (EEPP), la eficiencia en la remoción de DQO, fenoles e hidrocarburos totales fue aproximadamente de un 72%.

Recibido el 30 de Junio de 2006  En forma revisada el 30 de Julio de 2007

Introducción

Las aguas de producción de petróleo son aquellas generadas durante el proceso de explotación y producción del petróleo. Estas tienen características físico-químicas complejas que incluyen alto contenido de crudo libre y emulsificado, hidrocarburos disueltos y sólidos en suspensión, además pueden contener altas concentraciones de gases, sales, H₂S, mercaptanos y algunos compuestos tóxicos, 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, específicamente en el patio de Tanques Ulé, Tía Juana, proveniente de la explotación petrolera, se producen cerca de 250 mil barriles de estas aguas por día [2], las cuales luego del tratamiento fisicoquímico aplicado en el patio de tanques no cumplen con la legislación para ser descargadas a cuerpos de aguas superficiales [3]. El objetivo general de la investigación fue evaluar la remoción de materia orgánica medida en términos de la DQO, fenoles e hidrocarburos totales presente en las aguas de producción de petróleo, utilizando un reactor por carga secuencial (SBR). En la actualidad el tratamiento biológico aerobio, ha resultado ser eficiente para aguas residuales e industriales especialmente para la degradación de compuestos químicos con resistencia a la biodegradabilidad, tales como los hidrocarburos y fenoles [4]. Para llevar a cabo este estudio se realizó determinaciones de parámetros como Demanda Química de Oxígeno (DQO), pH, alcalinidad, Sólidos Suspendidos Totales, aceites y grasas, Hidrocarburos y Fenoles Totales, tanto a la entrada como a la salida de los reactores

El Patio de Tanques Ulé de PDVSA, se encuentra ubicado en el Municipio Tía Juana del Estado Zulia-Venezuela. La alimentación hacia este patio se hace mediante líneas provenientes de distintas estaciones de flujo ubicadas en tierra y lago, correspondientes a las segregaciones de la producción de crudo Tía Juana Liviano (TJL), Tía Juana Mediano (TJM) y Urdaneta Pesado (UP). Adicionalmente se recibe la producción 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 químicamente para facilitar su deshidratación en los diferentes tanques de reposo encontrados en el Patio de tanques Ulé. Después de lograr la deshidratación de estas segregaciones en los tanques, se procede al drenaje del agua. El crudo obtenido en estos procesos se bombea hacia el Complejo de Refinerías de Paraguaná y hacia la Salina para su fiscalización y posterior venta [5].

El efluente petrolero utilizado se colectó en el Patio de Tanque Ulé en la Costa Oriental del Lago de Maracaibo y se transportó hasta las instalaciones del Departamento de Ingeniería Sanitaria y Ambiental de la Universidad del Zulia, manteniéndose refrigerado a 4°C hasta el momento de su ingreso al reactor secuencial por carga SBR.

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

La caracterización inicial de los efluentes (EEPL) y (EEPP) se realizó para evaluar la eficiencia del sistema en la biodegradación de materia orgánica, las determinaciones de los diferentes parámetros se realizaron continuamente a la entrada y salida del reactor SBR, utilizando los métodos descritos en el Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, [6], Evaluando los parámetros: Demanda Química de Oxígeno DQO (Método 5220C), pH (método 4500B), alcalinidad (método 2320B), Sólidos (2540 D y E), Nitrógeno (Método 4500A), Hidrocarburos Totales (5220B). En la determinación de fenoles totales se utilizó el método Fotométrico Directo norma 5530-D, para la determinación del Carbono Orgánico Total (COT), se utilizó un Analizador de Carbono Orgánico Total marca Oil Analitical modelo 1020 A, que emplea el método 5310 C del Standard Methods, el cual determina cuantitativamente el material carbonáceo en el medio acuoso.

Se aplicó el programa SPSS versión 10 para la obtención de los valores estadísticos a evaluar.

Durante el periodo de la investigación, 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 características de las muestras colectadas condujo a definir muestras promedios y etapas de funcionamiento. La etapa de aclimatación se realizó y el primer día de evaluación es aquel que sigue el periodo de aclimatación.

La Tabla 2 y Figura 1, permiten constatar la eficiencia del sistema en lo concerniente a la eliminación de la DQO durante los 71 días de su funcionamiento en el EPPL. Estos resultados muestran que luego de aplicar el tratamiento utilizando un SBR, se alcanzó una eficiencia de eliminación 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 fácilmente, la cual establece un valor máximo de 350 mg/L. Resultados similares se obtuvieron en el tratamiento de un efluente de producción de petróleo usando un SBR, donde se obtuvo un 96% de remoción de DQO, lo cual muestra la alta eficiencia de los sistemas SBR en el tratamiento de efluentes provenientes de la extracción de petróleo [7].

Para el tratamiento de los efluentes de la extracción de petróleo es recomendable una fase de aclimatación estrictamente controlada para garantizar el eficiente funcionamiento del sistema [8], partiendo de esto para el EPPP, el cual en ensayos preliminares mostró una considerable fracción orgánica refractaria, se aplicó un procedimiento de aclimatación reforzada utilizando glucosa como fuente de carbono adicionando nutrientes al sistema, hasta obtener una relación 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 eliminación de DQO de 66%, obteniéndose valores promedios de DQO a la salida del reactor de 105 mg/L. Para los EPPP, la biodegradabilidad aeróbica resultó particularmente débil, pero su carga moderada no constituyó un problema para el cumplimiento de la norma venezolana en lo referente a la DQO.

En reactores SBR e igualmente para efluentes de la extracción de petróleo, resultados análogos atribuyen este fenómeno a la respiración endógena. Es probable que la degradación de la mayor parte de los compuestos orgánicos se efectúa solamente durante una fracción 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 últimas horas del ciclo el desarrollo de los mecanismos de respiración endógena y por ende la muerte de las células [8].

Paralelo a la medición de la DQO de las muestras, la evolución de la concentración de fenoles e hidrocarburos totales (HT) fue estudiada en las muestras provenientes de los reactores SBR. En efecto estos compuestos están presentes en las aguas de producción de petróleo y son potencialmente tóxicos. Una débil concentración de fenol puede inhibir el crecimiento de los microorganismos y concentraciones elevadas son tóxicas a la mayoría las especies microbianas e inhiben la eliminación eficiente de materia orgánica en reactores biológicos [9-11].

La concentración 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 límite permisible de descarga a cuerpos de aguas superficiales (20 mg/L) [3].

En lo referente a la degradación biológica de fenoles totales, la entrada al reactor con EEPL fue de 16,8 mg/L y 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 abióticas no fueron medidas, sin embargo estudios precedentes realizados sobre compuestos fenólicos en condiciones totalmente comparables han permitido concluir que esta perdidas en sistemas SBR son despreciables en comparación a la fracción verdaderamente metabolizable [13]. 

Luego de aplicar el tratamiento la concentración 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, alcanzándose un porcentaje de remoción de 96,0% y 91,40% respectivamente, esto puede observarse en las Figuras 5 y 6. Los residuos fenólicos han sido ampliamente tratados por procesos biológicos y han sido encontradas ser verdaderamente biodegradables. En efecto, la degradación de los fenoles utilizando tratamientos aeróbicos ha sido descrita en numerosos estudios anteriores donde se han constatado porcentajes de remoción de fenoles que superan el 90% [14-16]. Mangat y Elefsiniotis, utilizaron reactores SBR para el tratamiento de una mezcla de 2,4 diclofenoxiacético (estructura fenolica) y de fenol y obtuvieron un porcentaje de remoción de 99%, para un tiempo de degradación que varía entre 12 y 48 h [17].

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

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 formación de iones bicarbonato como producto de la digestión aerobia. Como se expresa en la Ecuación (1):

Existe CO₂ disponible que es utilizado por los microorganismos para su desarrollo, el consumo de este CO₂ disminuye la concentración de H⁺ aumentando el pH y la alcalinidad del efluente del reactor. Otra explicación para las variaciones de estos parámetros se reportó en el tratamiento de gasoil en un SBR, en el cual se adicionaron nutrientes en forma sólida resultando en una relación C:N:P aproximadamente de 60:2:1. El nitrógeno fue adicionado como NH₄Cl, y el fósforo fue adicionado en proporciones iguales de K₂HPO₄ y KH₂PO₄; aumentando de esta forma el pH por el alto contenido de carbonato [18].

El Reactor por Carga Secuencial SBR es eficiente en la remoción de materia orgánica, fenoles e hidrocarburos totales para el tratamiento de aguas de producción de provenientes de nuestra principal industria petrolera, bajo las condiciones de operación estudiadas.

El porcentaje de remoción de la Demanda Química de Oxígeno 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 remoción de 96%, para el EEPL y en el EEPP se alcanzan concentraciones promedio de 0,54 mg/L con una remoción de 79%.

Para lo hidrocarburos totales se obtienen valores de eliminación 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 más fácilmente biodegradables.

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

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

1. Centro Internacional de Educación y Desarrollo. (CIED), "Manual de Tratamiento de Crudos y Aguas Efluentes". Petróleos de Venezuela Sociedad Anónima. (PDVSA). (1998).

2. Petróleos de Venezuela (PDVSA), "Exploración, Producción y Mejoramiento. Capacidad de producción de Hidrocarburos ". (2001).

3. Decreto 883, Gaceta Oficial de la República de Venezuela. N° 5021, Sección III, de las Descargas a Cuerpos de Aguas. (1995).

4. Flapper T.G., Ashbolt N.J., Lee A.T. and O’Neil M. From the lab to full-scale SBR operation: treating high strength and variable industrial wastewaters. Waster Science and Technology. Vol.43, No 3, pp. 347- 354. (2001).

5. Peña Y., Colina J. Análisis de opciones para el manejo de aguas efluentes del patio de tanques Ulé (Informe Técnico), Gerencia Técnica de Ingeniería de Procesos de Producción de PDVSA (Venezuela), p. 19. (2000).

6. American Public Health Association (APHA), American Water Works Association (AWWA), Water Environment Federation (WEF). "Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater". American Public Health Association Washington DC, USA, 20th Ed. (1998).

8. Freire D., Cammarota M., Sant´Anna G. Biological treatment of oil field Wastewater in a sequencing batch reactor. Environ Technol. Vol. 22. pp. 1125-1135, (2001).

9. Hsu. E. H. Treatment of a petrochemical wastewater in sequencing batch reactors. Environmental progress. Vol. 5, No.2. pp.71-81. (1986).

10. Tchobanoglous G. (Metcalf and Eddy). "Ingeniería de Aguas Residuales, Tratamiento, Vertido y Reutilización", McGraw-Hill, Tercera Edición, Tomo I y II. (1996).

11. Ahmet U. y Fikret K. Phenol inhibition of biological nutrient removal in a four-step sequencing batch reactor. Process Biochemistry. Vol. 39. pp. 2123-2128. (2004).

12. Díaz, A., Debellefontaine, H., Chacín, E., "Biodegradation of formation oil industry wastewater using an Aerobic Stirred Batch Reactor (SBR), Second International Symposium on Sequencing Batch Reactor Technology, Vol. II, pp 324-334. (2000).

13. Moreno G., Buitron G. Infuence of the origin of the inoculum and the acclimation strategy on the degradation of 4-chlorophenol. Bioresource Technology. Vol. 94. pp. 215-218. (2004).

14. Chetan T. Goudar, Shobhar H. Ganji, Basayya G. Pujar. Kinetics of inhibition of a substratum in the Biodegradation of phenol. Water Environment Research, Vol 72, N°50. (2000).

15. Yoong E., Lant P. Biodegradation of high strength phenolic wastewater using SBR. Wat Sci Technol 43 (3). pp. 299-306, (2001).

16. Brenner A., Chozick R., e Irvine R. Treatment of high-strength, mixed phenolic waste in a SBR. Water Environ. Res., Vol. 64, No. 2. pp. 128-133. (1992).

18. Cassidy, D. Efendiev, S y White, D. "A comparison of CSTR and SBR bioslurry reactor Performance", Water Research., Vol. 34, pp 4333-4342. (2000).