TRATAMIENTO DE ACEITES, LODOS DE PLANTAS DE …

II Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos

Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009.

TRATAMIENTO DE ACEITES, LODOS DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Y

EMULSIONES PROVENIENTES DEL PROCESO DE DECAPADO, LAMINACIÓN Y GALVANIZACIÓN DEL ACERO A TRAVÉS DE LA

BIORREMEDIACIÓN DE SUELOS: LANDFARMING.

Del Rio, P *.; Uribe, I. Acerías de Colombia Acesco & CIA SCA. Parque Industrial Malambo PIMSA SA

Km. 3 Vía Malambo Sabanagrande

Resumen

El Landfarming o tratamiento superficial en tierra es una técnica de remediación cuya aplicación usual es la reducción de la concentración de hidrocarburos y Aceites en suelos contaminados aprovechando su capacidad para ser biodegradados, en este proceso, los microorganismos generan materiales inocuos para el ambiente, o subproductos estabilizados que no representan peligro.

El Landfarming ha sido exitoso en el tratamiento de los hidrocarburos de petróleo tales como combustible diesel, aceites combustibles, lodos en base a aceite, preservantes de madera, hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAHs y creosote), desechos de coque, y algunos pesticidas. La eficacia del tratamiento es menor a medida que se incrementa el peso molecular de los contaminantes a ser degradados. También los compuestos clorados, o nitrogenados son por lo general difíciles para degradar [1].

1. Introducción

La Biorremediación es el proceso mediante el cual los microorganismos se estimulan para degradar contaminantes orgánicos peligrosos hasta niveles ambientalmente seguros en suelos, materiales subsuperficiales, aguas y lodos. Los microorganismos utilizan los contaminantes como fuentes de alimentos y convierten los contaminantes en biomasa y subproductos inocuos, tales como CO2 y sales inorgánicas.

Los microorganismos heterótrofos son los principales utilizadores de la materia orgánica en la biosfera y son pieza clave en el ciclo del carbono del estado orgánico al inorgánico. Si están presentes suficientes cantidades de nutrientes inorgánicos y hay un aceptor final de electrones, eventualmente todas las sustancias inorgánicas pueden ser degradadas.

Para que exista biorremediación los microorganismos deben tener actividad catabólica para degradar el contaminante a una velocidad razonable hasta alcanzar los niveles de concentración que indican los estándares de regulación. El contaminante debe ser biodisponible y las condiciones del suelo y el agua deben ser tales que conduzcan al crecimiento de los microorganismos o plantas o al desarrollo de su actividad enzimática.

Acerías de Colombia conciente del compromiso social derivado de la cercanía de sus plantas de producción al circuito de ciénagas de la franja oriental del departamento del Atlántico, diseña un sistema para el tratamiento de los hidrocarburos, lodos de aguas residuales y emulsiones generados en sus diferentes procesos; con el fin de evitar la contaminación de los cuerpos de aguas conocido como Landfarming, que es la degradación de contaminantes acelerada por aireación y la adición de nutrientes a la superficie contaminada o suelo contaminado, mediante esta técnica, se aumenta la velocidad de



biodegradación natural de los lodos y los residuos aceitosos al mezclarlos con arena, bacterias biodigestoras de hidrocarburos y otros nutrientes.

Los microorganismos normales del suelo, así como transforman cualquier materia orgánica en descomposición para hacerla disponible nuevamente a las plantas, también se encargan de transformar los compuestos orgánicos del aceite, transformarlos en dióxido de carbono, agua y humus por medio de la reacción:

Residuos aceitosos + Microorganismos aeróbicos --- -------- CO2 + H2O + Humus

Los metales y otros componentes inorgánicos quedan inmovilizados en el suelo debido a la oxigenación y al intercambio iónico natural que hace que queden ligados química y físicamente a las partículas del mismo.

Reacción de mineralización.

CHONPSCl CO2 +H2O + NH4+ PO4= + SO4

= + Cl-

Reacción de Biotransformación.

El uso de microorganismos en la Biorrecuperación depende de la capacidad de las cepas microbianas concretas para degradar contaminantes. Para lograr esto los microorganismos tienen que desarrollarse sobre la sustancia residual o contaminante. Los microorganismos consiguen energía y/o nutrientes para la formación de nuevas células como consecuencia del metabolismo catabólico de los sustratos que le apoyan la vida. Sin embargo en algunos casos los microorganismos son incapaces de metabolizar una sustancia como fuente única de carbono y energía, pero pueden transformar dicha sustancia si se le aporta un sustrato de crecimiento alternativo llamado cosustrato. Este fenómeno es conocido como Cotransformación; consiste en la transformación simultánea de los contaminantes en carbono, energía u otro nutriente.

Dentro del proceso de Biotransformación ocurren dos procesos:

El proceso de remoción biológica , que es quizá el proceso más importante para la remoción de contaminantes en la biorremediación, dado que en éste se captan los contaminantes que son una forma de nutrientes esenciales para el suelo, tales como Nitrato, Amonio y Fosfato, sin embargo, muchas especies de plantas del humedal son capaces de captar, e incluso acumular significativamente metales tóxicos, como Cadmio, Cromo y Plomo con la ayuda de los microorganismos existentes en el suelo o biomasa. En este proceso las bacterias y otros microorganismos en el suelo también proveen, captan y almacenan nutrientes a corto plazo y algunos contaminantes ayudando a la mineralización del suelo. [2].

El proceso de remoción química , dentro de esta etapa el proceso más importante es la absorción, que da lugar a la retención a corto plazo o a la inmovilización a largo plazo de varias clases de contaminantes. La absorción está definida como la transferencia de los



iones de los contaminantes (aceites, lodos, hidrocarburos) al suelo. La absorción incluye además los procesos de adsorción y precipitación. La adsorción se refiere a la unión de iones a las partículas del suelo o biomasa, por el intercambio catiónico o absorción atómica. El intercambio catiónico implica la unión física de los cationes a las superficies de las partículas de la tierra y de la materia orgánica en el suelo [2].

2. Especificaciones para el tratamiento en el siste ma de Landfarming

La unidad de tratamiento de Landfarming, esta constituida por una piscina impermeabilizada con una geomembrana divida en cuadrantes. La mezcla de todos los materiales a tratar se realiza en un trompo mezclador (similar al usado en construcción); de tal manera que el aceite, el lodo aceitoso y/o lodo de PTAR represente un 20 % de la mezcla; el 80 % restante es tierra, bacterias y nutrientes. Una vez realizada la mezcla se distribuye en eras de secado dentro del Landfarming, sin exceder los 50 cms de altura. Estas deben ser removidas periódicamente para impedir que se compacten y para permitir su aireación el mayor tiempo posible hasta las capas mas profundas, asegurando la bioactividad aeróbica. La humectación del material debe ser realizada por aspersión una vez depositadas las capas y durante el periodo de tratamiento en 3 jornadas en época de verano. Luego de terminado el periodo de biodigestión, aproximadamente entre 25 y 30 días se procede a evacuar los cuadrantes retirando el material y disponiéndolo en el sitio de relleno.

El sistema cuenta con un foso colector de lixiviados el cual se encarga de recoger todas las aguas provenientes de los filtros perimetrales de las piscinas lo que garantiza que la geomembrana y el terreno no sufran deformaciones que ocasionen ruptura y percolación de los contaminantes a tratar.

Las bacterias utilizadas para el tratamiento son del género Pseudomonas (Acesco utiliza las bacterias Ecobacter HC-100® y Ecobacter FM® distribuidas por Aquasistemas - Aquaequipos del Caribe); tienen la capacidad de utilizar los compuestos orgánicos de los grupos genéricos alifáticos, ciclo alifáticos, aromáticos y / o hidrocarburos aromáticos polinucleares a través de sus plásmidos metabólicos y acelerar el proceso de degradación. Poseen la habilidad para utilizar diversos substratos, incluyendo aquellos creados por el petróleo. Las Pseudomonas son bacterias Gram negativas, obicuas, que pertenecen a la subclase gamma de las Proteobacterias. Las Pseudomonas son bacterias productoras de biosurfactantes como los ramnolipidos involucrados en procesos de remoción de aceites y productos relacionados. [3,4].

Algunos microorganismos productores de biosurfactantes extracelulares que solubilizan y facilitan la penetración de los hidrocarburos a través de la pared celular hidrofílica; contienen además enzimas degradadoras de hidrocarburos en la membrana citoplasmática.

Estudios con relación al desempeño metabólico de la Pseudomonas aeruginosa ha permitido identificarla como degradadora de gran cantidad de sustratos como el n-hexadecano, mineralización de compuestos alifáticos en condiciones anaerobias, y degradadora de hidrocarburos aromáticos y poli aromáticos, así como del pireno en estudios in vitro [5,6].

La Pseudomona aeruginosa tiene la capacidad de sintetizar ramnolipidos cuando se encuentra en la fase estacionaria de su crecimiento, por tal razón esto sólo se puede realizar en la primera fase del proceso de biorremediación y contribuyendo así con la movilización y solubilización de los contaminantes durante la fase siguiente de mineralización. Al mismo tiempo que pueden transformarse bajo microcosmos en el suelo con un tratamiento físico o químico especifico, características que comparte con el Agrobacterium tumefasciens [7].

La Pseudomonas putida es un saprofito del suelo, metabólicamente versátil, por poseer una dioxigenasa inicial, una tolueno dioxigenasa, aunque no presenta la dioxigenasa específica



para los PAHs por lo cuál es una buena candidata para las aplicaciones biotecnológicas, tales como agricultura, biocatálisis, biorremediación, biocontrol en protección de las plantas y producción de bioplásticos.

La Pseudomona putida posee la capacidad de colonizar la rizosfera de plantas de cosecha y una gran capacidad metabólica que facilita el desarrollo de biopesticidas y promotores de crecimiento de la planta. La degradación de los alcanos por Pseudomona putida se ha estudiado por secuenciación en el plásmido que codifica una enzima que convierte alcanos a aldehídos a través del hidroperoxidasa del n-alkyl sin un intermediario del alcohol, conocido como la vía de Finnerty; un proceso similar lo presentan los géneros Acinetobacter y Nocardiodes aunque ellos no poseen este plásmido. La Pseudomonas fluorescens es degradadora de naftaleno y fenantreno, ventaja que tiene frente a las otras Pseudomonas, que solo metabolizan naftaleno y asfáltenos [8].

Estudios realizados demuestran que Flavobacterium y Pseudomonas son los microorganismos más aislados en la fase de degradación de los TPH (Hidrocarburos Totales). La Pseudomonas stutzeri es una degradadota de PHA.s [9].

En Acesco se tiene aproximadamente una capacidad de tratamiento de 600 metros cúbicos, distribuidos en 2 unidades de 200 y 400 metros cúbicos cada una.

Figura 1. Landfarming Acesco con 400 metros cúbicos de capacidad



Figura 2. Esquema del sistema de tratamiento.

Figura 3. Vista aérea del sistema de tratamiento.

3. Material tratado en el sistema

• Emulsión y aceites de laminación • Torta deshidratada proveniente de la planta de tratamiento de aguas residuales

industriales de la línea de Decapado. • Lodos provenientes de la planta de tratamiento de aguas residuales domesticas. • Lodos provenientes de la planta de tratamiento de aguas residuales industriales de la

línea de galvanización. • Aceites usados.



4. Efecto de los factores ambientales sobre la biod egradación de hidrocarburos [10]

4.1 Temperatura

La temperatura es un parámetro fundamental a considerar en la biorremediación in situ, ya que la biodisponibilidad depende de este parámetro. La actividad microbiana se incrementa con el aumento de la temperatura; esta acción es mínima por debajo de 10 0C y se duplica con cada 10 0C de incremento de temperatura. Un incremento de temperatura provoca un descenso de la viscosidad y, por tanto, afecta al grado de dispersión y al aumento de las tasas de difusión de los compuestos orgánicos. Además, las bajas temperaturas impiden la volatilización de alcanos de cadena corta (< C10), por lo que aumenta su toxicidad, lo cual puede ralentizar el proceso de degradación.

En comparación con los ecosistemas mesofílicos, hay pocos ejemplos de biorremediación de lugares contaminados sometidos a bajas temperaturas. El umbral para una degradación significativa es de 0ºC [11]. A temperaturas elevadas, como por ejemplo en las zonas litorales de regiones semiáridas, también se han encontrado microorganismos termófilos, que poseen un determinado potencial para la conversión de hidrocarburos [12]

4.2 PH

La mineralización de hidrocarburos se ve favorecida a pHs próximos a la neutralidad. Este debe estar entre 6 y 9, rango en el cual la acción microbiana fija los metales en la matriz del suelo, permaneciendo inmóviles. Si el pH es más bajo de 6, la actividad microbiana se inhibe y se detiene la biodegradación de hidrocarburos.

En algunas bacterias heterótrofas acidófilas se ha demostrado la adquisición y expresión de genes que codifican enzimas implicados en la degradación de hidrocarburos aromáticos (Quentmeir y Friedrich, 1994). Respecto a los microorganismos alcalófilos, se sabe que producen una serie de enzimas extracelulares interesantes desde el punto de vista industrial, pero la información sobre su capacidad de degradar hidrocarburos es limitada [13]

4.3 Salinidad

Hay una relación inversa entre salinidad y biodegradación de hidrocarburos de petróleo (Ward and Brock, 1978). Se ha visto, que a concentraciones salinas superiores al 2,4% (p/v) de NaCl, el efecto inhibidor es mayor para la degradación de fracciones aromáticas y polares que para la fracción saturada No obstante, se conocen microorganismos capaces de oxidar hidrocarburos a una concentración salina del 30% (p/v) de NaCl [14]

4.4 Nutrientes

En los lodos pesados o residuos aceitosos a tratar, hay un déficit importante de Nitrógeno, elemento indispensable para la biodegradación. Este elemento debe suministrarse con la adición de fertilizantes comunes. También debe suministrarse Fósforo como nutriente de las bacterias. El radio de C:N:P debe ser de 100:5:1.

Cuando hay un vertido de hidrocarburos en ambientes que presentan una baja concentración de nutrientes inorgánicos se suelen producir elevados cocientes C:N y/o C:P, los cuales son desfavorables para el crecimiento microbiano. Es bien conocido que la disponibilidad de N y P limita la degradación microbiana de hidrocarburos. De esta manera, el ajuste de estas proporciones mediante la adición de los nutrientes en forma de fertilizantes estimulará la biodegradación [15]



4.5 Humedad

La humectación del material debe garantizarse a lo largo de todo el tratamiento a través de la adición de una capa de agua que garantice la movilidad y temperatura para la degradación de los contaminantes.

5. Estrategias de control

5.1 Siembras de control biológico La siembra de especies frutales se constituye en una herramienta clave para asegurar la fertilidad del terreno; una vez recogido el fruto se realiza un análisis de metales pesados para asegurar que no hay acumulación de estos en el suelo, ni el fruto.

Figura 4. Siembra de control Biológico - Papaya.

Figura 5. Siembra de control Biológico - Papaya.



5.2 Análisis de metales pesados

Las muestras son enviadas al Laboratorio Microbiológico Barranquilla acreditado IDEAM para realizar este tipo de análisis.

5.2.1 Cosechas obtenidas

La realización de análisis a las cosechas permite determinar que porcentajes de metales se están bioacumulando en caso de existencia y a su vez determinan la eficiencia en la remoción de contaminantes.

Tabla 1. Resultados de análisis de una muestra de Papaya

5.2.2 Sistema de recolección de lixiviados

Del sistema de recolección de agua de la red de filtros perimetrales se toma una muestra cada 6 meses para su análisis.

Tabla 2. Resultados de análisis de aguas pozo colector de lixiviados.



6. Resultados

El material resultante aplica según la norma NTC 5167 “Productos para la industria agrícola. Productos usados como abonos o fertilizantes y enmiendas de suelos” para compuestos orgánicos minerales provenientes de lodos de PTAR. El objetivo del proyecto no es obtener un abono orgánico, sino obtener un relleno constructivo, con la concentración de los compuestos peligrosos para el suelo, dentro de los parámetros exigidos por la norma NTC. Evitando de esta manera la contaminación de suelos y cuerpos de agua cercanos. Los resultados de los análisis de lixiviación (TCLP) demuestran que estos compuestos en el sistema de tratamiento de Landfarming son inmovilizados en el suelo. Las muestras para análisis son enviadas al Grupo interdisciplinario de estudios moleculares de la facultad de ciencias exactas y naturales en el instituto de química de la Universidad de Antioquia. (GIEM)

Tabla 3. Resultados de arena tratada bajo el sistema de Landfarming



Tabla 4. Análisis Microbiológicos.

7. Conclusiones

A través de la experiencia de bioremediación de suelos en Acesco se puede concluir que el Landfarming es una alternativa altamente eficiente para la eliminación de los residuos sólidos, de la contaminación por hidrocarburos y otros contaminantes; no se generan desechos dentro del proceso de tratamiento y el producto del tratamiento puede ser utilizado para otros fines (mejoramiento suelos agrícolas).

Su costo es menor que las técnica de encapsulamiento, incineración y otros procesos térmicos utilizados para la degradación de Hidrocarburos.

No se genera alteración de ecosistemas terrestres y/o acuáticos, ya que se emplean bacterias nativas y además el suelo es impermeabilizado para evitar filtraciones.

Las bacterias empleadas no representan algún tipo de amenaza potencial hacia el componente humano, animal o vegetal.

8. Referencias

[1] Freeman Harry M. (1989) Standard Handbook of Hazardous Waste Treatment and Disposal: 9-41 a 9-73.

[2] Llagas, W.A. y Guadalupe, E. 2006. “Diseño de humedales artificiales para el tratamiento de aguas residuales en la UNMSM”. Revista del instituto de investigaciones FIGMMG. Vol. 15. No. 17 paginas 85-96.

[3] Nelson K, Weinel C, Paulsen I, Dodson R, Hilbert H, Martins dos Santos V, Fouts D, Gill S, Pop M, Holmes M, et al. Complete genome sequence and comparative analysis of the metabolically versatile Pseudomonas putida KT2440. Environmental Microbiology. 2002; 4: 799-813.

[4] Flavio B, Leonardo F, Zachia M. Production of biosurfactant by hydrocarbon degrading Rhodococcus ruber and Rhodococcus erythropolis. Revista de Microbiología. 1999; 30 (3).

[5] Demaneche S, Kay E, Gourbiere F, Simonet P. Natural transformation of Pseudomonas fluorescens and Agrobacterium tumefaciens in soil. Applied and Environmental Microbiology. 2001; 67 (6): 2617-2621.

[6] Fan C, Qing X, Kwang J. Aerobic Denitrification of Pseudomona aeruginosa monitored by online NAD (P) H Fluorescence. Applied And Enviromental Microbiology. 2003; 69 (11): 6715-6722.



[7] Daane L, Harjono I, Zylstra G, Häggblom M. Isolation and characterization of polycyclic Aromatic hydrocarbondegrading bacteria associated with the Rhizosphere of salt Marsh plants. Applied and Environmental Microbiology.2001; 67(6):2683-2691.

[8] Rockne K, Chee-Sanford J, Sanford R, Brian P, James T, Staleyand S. Anaerobic naphthalene degradation by microbial pure cultures under nitrate-reducing conditions. Applied and Environmental Microbiology . 2000; 66: (4)1595-1601.

[8] Kästner M, Breuer M, Mahro B. Impact of inoculation protocols, salinity, and pH on the degradation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) and survival of PAHdegrading Bacteria introduced into soil. Applied and Environmental Microbiology. 1998; 64(1): 359-362.

[10] Martínez-Alonso N,. Gaju Revista científica y técnica de ecología del medio ambiente Ecosistemas. Mayo, 2005, 14(2): 79-91. [11] Siron, R., Pelletier, E. y Brochu C. 1995. Environmental factors influencing the biodegradation of petroleum hydrocarbons in cold seawater. 28: 406-416. [12] Müller, R., Antranikian, G., Maloney, S. y Sharp, R. 1998. Thermophilic Degradation of environmental pollutants. En Advances in Biochemical Engineering/Bio-technology, vol 61 (ed. Antranikian, G.), pp.155-169, Springer, Berlin Heidelberg New York. [13] Kanekar, P.P., Sarnaik, S.S. y Kelkar A.S. 1999. Bioremediation of phenol by alkaliphilic bacteria isolated from alkaline lakeof Lonar, India. J Appl Microbiol 85: 128S-133S. [14] Kuznetsov, V.D., Zaitseva, T.A., Vakulenko, L.V. y Filippova, S.N. 1992. Streptomyces albiaxialis a new petroleum hydrocarbon-degrading species of thermo- and halotolerant Streptomyces. Microbiology 61: 62-67. [15] Swannell, R.P.J., Lee, K. y McDonagh, M. 1996. Field evaluations of marine oil spill bioremediation. Microbiol Rev 60: 342-365.

TRATAMIENTO DE ACEITES, LODOS DE PLANTAS DE …

Documents

Transcript of TRATAMIENTO DE ACEITES, LODOS DE PLANTAS DE …