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.

Correlaciones de los efectos

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.

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

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
%

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
%.

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 (%).

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.

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

 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.

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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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Habana, Cuba.