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



Partes: 1, 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:

Análisis

Método de
ensayo

Tiempo
(días)

pH

NC 32:1999

0,30, 80, 110,180

Grasas y Aceites (G/A)

Abbout S.A, 2000

0,30, 80, 110,180

Hidrocarburos Totales del
Petróleo (HCTP)

APHA 5520F

0,30, 80, 110,180

Saturados, Aromáticos,
Resinas y Asfaltenos (SARA)

Abbout S.A, 2000 Sawatzky,
1976

0, 80, 180

Nitrógeno
Total(NT)

BBSSC001, 1998

0, 30, 80,83,110,180

Fósforo Total
(PT)

FAO, 1975

0,30, 80, 110,180

Conteo de microorganismos totales
(MOT)

Alef y Nannipieri,
1998

ISO 6887, 1993

ISO 4833, 1991

0,30, 80, 110,180

Conteo de microorganismos
biodegradadores (MOB)

APHA, 1975

Finerty, W y otros,
1983

Solana, A. M., 1985

0,30, 80, 110,180

Producción de
CO2

(Respirometría)

Viale e Infante, 1997.

0,30, 80, 110,180

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.

Muestra

G/A

HCTP

NT

PT

RSP

179 220

90 210

1.29

0.13

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

Muestra

Conteo de Microorganismos
Heterótrofos Totales

Conteo de Microorganismos
Biodegradadores

RSP

9,55 x 10 8

5,35 x 10 6

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

Muestra

Pb

Cu

Zn

V

Cr

Ni

Ba

RSP

36,6

< 2,5

49,4

< 50

116,9

10,9

836,2

CUPET(1)

150

 

300

 

300

 

20 000

  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.

Tiempo

(días)

pH

G/A

(mg/Kg)

HCTP

(mg/Kg)

Remoción

(%)

Nitrógeno

(mg/Kg)

Fósforo

(mg/Kg)

t =0

7,72

(29,20C)

105 320

36 990

25.62

23.62

t =30

78 180

24 170

25.76(1)

34.66(2)

0.61

0.18

t =80

7,48

(28,50C)

63 910

17 820

39,32(1)

51,82(2)

0.53

0.16

t =83

7.55

(28,50C)

76 350

23 350

27.51(1)

37.18(2)

19.5

0.20

t = 110

7.76

(29,20C)

52 140

2 676

50.49(1)

92.71(2)

trazas

0.99

t = 180

7.49

(29.3oC)

83 540

19 430

  
  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.

Tiempo

Saturados

Aromáticos

Resinas

Asfaltenos

t =0 días

16 870

20 120

25 660

39 320

t =80 días

1 080

1 820

23 290

22 800

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.

Tiempo

(días)

Conteo de M.O Heterótrofos
Totales (UFC/g suelo)

Conteo de M.O

Biodegradadores de HCs (UFC/g
suelo)

Producción de
CO2

(mg de CO2
/m2xh)

t =0

5,0 x 109

1,31 x 106

60, 15

t =30

3,50 x 109

2,03 x 107

65,69

t =80

1,25 x 109

2,50 x 107

71,37

t = 110

3.50 x 109

2.0 x 106

60.77

t = 180

5.45 x 10 9

3.02 x 10 6

66.23

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.
  1. 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.
  2. 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.
  3. 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

Partes: 1, 2
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