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UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN
DEL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO
TEMA:
EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS Y PROPUESTA DE UN SISTEMA DE
TRATAMIENTO PARA REDUCIR LA DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO
(DQO) PRESENTE EN LAS AGUAS DE FORMACIÓN PROVENIENTES
DE EFLUENTES DE INDUSTRIAS DE PROCESAMIENTO DE GAS
NATURAL
AUTORES:
HUILCAREMA ENRÍQUEZ KEVIN XAVIER
QUIZHPI JADAN EDWIN MAURICIO
TUTORA:
ING. SANDRA PEÑA MURILLO, MSC.
DICIEMBRE
2016
II
DERECHOS DE AUTORIA
Nosotros, HUILCAREMA ENRÍQUEZ KEVIN XAVIER y QUIZHZPI
JADÁN EDWIN MAURICIO, declaramos bajo juramento que el trabajo
aquí descrito es de nuestra autoría, que no ha sido previamente
presentado para ningún grado o calificación profesional.
A través de la presente declaración cedemos los derechos de propiedad
intelectual a la UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL - FACULTAD DE
INGENIERÍA QUÍMICA, según lo establecido por la Ley de Propiedad
Intelectual y su reglamento.
Huilcarema Enríquez Kevin Xavier
C.I: 0922218243
Quizhpi Jadan Edwin Mauricio
C.I: 0930298799
III
CERTIFICACIÓN DE TUTOR
Yo ING. PEÑA MURILLO SANDRA, certifico haber tutelado el trabajo de
titulación EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS Y PROPUESTA DE UN
SISTEMA DE TRATAMIENTO PARA REDUCIR LA DEMANDA
QUÍMICA DE OXÍGENO (DQO) PRESENTE EN LAS AGUAS DE
FORMACIÓN PROVENIENTES DE EFLUENTES DE INDUSTRIAS DE
PROCESAMIENTO DE GAS NATURAL, que ha sido desarrollado por los
Srs. HUILCAREMA ENRÍQUEZ KEVIN XAVIER y QUIZHZPI JADÁN
EDWIN MAURICIO, previa a la obtención del título de Ingeniero Químico,
de acuerdo al REGLAMENTO PARA LA ELABORACION DE TRABAJO
DE TITULACIÓN DE TERCER NIVEL DE LA UNIVERSIDAD DE
GUAYAQUIL, FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA.
Atentamente,
____________________________
Ing. Sandra Peña Murillo, Msc
C.I: 0917228801
IV
AGRADECIMIENTOS
A Dios por darme la fuerza para conseguir una meta más y que
hoy es realidad.
A mis padres por el apoyo incondicional para terminar una
etapa más en esta vida.
A mis amigos por su amistad y por impulsarme a seguir
adelante.
A la Ing. Sandra Peña por el tema, paciencia y tiempo brindado
en el transcurso de toda la investigación para el desarrollo de
este proyecto.
Y muy especial a la Ing. Judith Chalen por brindarnos sus
conocimientos para el desarrollo del presente trabajo de
titulación.
Quizhpi Jadán Edwin M.
A mis padres, hermano y familia.
A mis profesores.
A mis amigos.
A la vida.
Gracias por todo.
Huilcarema Enríquez Kevin X.
V
DEDICATORIA
Dedico esta tesis a mis padres Jorge y María, hermanos
Fernando y Alexandra que siempre estuvieron apoyándome
incondicionalmente tanto moral y económicamente para llegar a
ser un profesional de bien.
A toda mi familia en general por el interés mostrado en mi
carrera universitaria.
A mis maestros de toda la vida y guiarme por el camino del
éxito.
Quizhpi Jadán Edwin M.
Dedico este trabajo a todos y todas quienes a diario
compartieron este camino desde el primer día.
A mis profesores, quienes me ayudaron a plasmar sus
conocimientos impartidos de cada clase en este documento.
A la comunidad en general, y a ti por tomarte un momento y
leer este trabajo, para que cada día nuestra sociedad siga
creciendo en el camino del conocimiento.
Huilcarema Enríquez Kevin X.
VI
SÍMBOLOS Y UNIDADES
m3 Metro cúbico
g Gramo
l Litro
bbl Barril
psi Libras por pulgada cuadrada
m3⁄año Metro cúbico por año
g/s Gramo por segundo
Kg/d Kilogramo por día
°C Grado Celsius
°F Grado Fahrenheit
K Grado Kelvin
mg/L Miligramo por Litro
m3/d Metro cúbico por día
ml Mililitro
ml/l Mililitros por litro
RPM Revoluciones por minuto
MMSCF Millones de pies cúbicos estándar
VII
INDICE
LA INVESTIGACIÓN (EL PROBLEMA) ..................................................... 2
1.1 Tema ................................................................................................ 2
1.2 Planteamiento del problema ............................................................ 2
1.3 Formulación del problema ................................................................ 2
1.4 Limitación del estudio ....................................................................... 3
1.5 Alcance del trabajo ........................................................................... 3
1.6 Objetivos .......................................................................................... 3
1.7 Idea a defender ................................................................................ 4
1.8 Aportaciones .................................................................................... 4
1.9 Justificación del trabajo .................................................................... 5
1.10 Hipótesis .......................................................................................... 6
1.11 Variables de operación .................................................................... 7
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA ..................................................................... 8
2.1 Estudios Referentes Realizados ...................................................... 8
2.1.1 Aguas de Formación ..................................................................... 8
2.1.2 Características Físico – Químicas de la muestra .......................... 9
2.2 Investigación Bibliográfica .............................................................. 12
2.2.1 Gas Natural ................................................................................. 12
2.2.2 Proceso de Formación del Gas Natural ...................................... 13
2.2.3 Reseña Histórica de la Producción de Gas Natural en Ecuador . 14
2.2.4 Composición y Características del Gas Natural .......................... 15
2.2.5 Clasificación del Gas Natural ...................................................... 16
2.2.6 Reservas de Gas en el Mundo ................................................... 17
2.2.7 Proceso de Producción de Gas Natural en Plataformas Offshore
17
2.2.7.1 Proceso de deshidratación de Gas Natural. ......................... 20
2.3 Tratamiento de Aguas Residuales ................................................. 21
2.4.1 Tipos de Tratamiento .................................................................. 23
2.4.1.1 Pre-Tratamientos.................................................................. 23
2.4.1.2 Tratamientos Primarios ........................................................ 23
VIII
2.4.1.3 Tratamientos Secundarios ................................................... 23
2.4.1.4 Tratamientos Terciarios ........................................................ 24
2.4.2 Coagulación - Floculación ........................................................... 24
2.4.3 Tratamientos anaeróbicos - aeróbicos ........................................ 27
2.4.4 Lodos Activados ......................................................................... 29
2.4.5 Filtración ..................................................................................... 31
2.4.6 Procesos de Oxidación Avanzada (POAs) ................................. 32
2.4.6.1 Potencialidad de Uso del Reactivo FENTON ....................... 34
2.4.7 Combinación de POAs y tratamientos biológicos ....................... 37
2.5 Tratamiento de Aguas en Industrias con procesos Hidrocarburíferos..... 39
2.5.1 Contaminantes Provenientes de las Aguas de Formación ......... 39
2.5.2 Estudios Preliminares para Tratamiento de Aguas de Formación
40
2.5.3 Procesos y Tecnologías utilizadas para el tratamiento de aguas
con alta carga orgánica. ........................................................................ 44
2.6 Evaluación de las Alternativas de Tratamientos............................. 52
METODOLOGÍA Y DESARROLLO EXPERIMENTAL ............................. 55
3.1 Métodos y Técnicas ....................................................................... 55
3.2 Caracterización de la Muestra........................................................ 55
3.3 Procedimiento Experimental .......................................................... 58
3.3.1 Equipos, Materiales y Reactivos ................................................. 65
3.4 Resultados ..................................................................................... 66
3.5 Análisis de los Resultados ............................................................. 82
CONCLUSIONES .................................................................................... 83
RECOMENDACIONES ............................................................................ 84
IX
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 1: VARIABLES DE OPERACIÓN ........................................................................... 7
TABLA 2: CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE AGUAS RESIDUALES ............................... 9
TABLA 3: CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS DE AGUAS RESIDUALES ......................... 10
TABLA 4: COMPOSICIÓN DEL GAS NATURAL DE POZO EN BASE SECA ................ 16
TABLA 5: CONDICIONES DE LA PLATAFORMA AMISTAD .......................................... 18
TABLA 6: CONTAMINANTES DE IMPORTANCIA EN AGUAS RESIDUALES ............... 22
TABLA 7: ÍNDICE DE WILLCOMB ................................................................................... 27
TABLA 8: POTENCIALES REDOX DE AGENTES OXIDANTES .................................... 35
TABLA 9: TECNOLOGÍAS DISPONIBLE PARA LA GESTIÓN Y TRATAMIENTO DEL
AGUA PRODUCIDA ......................................................................................................... 41
TABLA 10: CARACTERIZACIÓN INICIAL DE LA MUESTRA ......................................... 56
TABLA 11: EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS DE TRATAMIENTO ............................. 58
TABLA 12: PRUEBAS DE CLARIFICACIÓN CON PAC .................................................. 66
TABLA 13: PRUEBAS DE CLARIFICACIÓN CON SULFATO DE ALUMINIO ................ 68
TABLA 14: PRUEBAS DE CLARIFICACIÓN CON CLORURO FÉRRICO ...................... 70
TABLA 15: PRUEBAS DE CLARIFICACIÓN CON SULFATO FERROSO ...................... 72
TABLA 16: PRUEBAS CON OXIDANTES ........................................................................ 75
TABLA 17: RESULTADOS DEL PROCESO 2 ................................................................. 78
TABLA 18: DOSIFICACIÓN DE NUTRIENTES................................................................ 79
ÍNDICE DE GRÁFICOS
GRÁFICA 1: PRODUCCIÓN DE GAS NATURAL & AGUA DE FORMACIÓN .................. 6
GRÁFICA 2: EVALUACIÓN DE TECNOLOGÍAS PARA TRATAMIENTO DE AGUAS DE FORMACIÓN ... 59
GRÁFICA 3: RESULTADOS DE CLARIFICACIÓN CON PAC ........................................ 67
GRÁFICA 4: RESULTADOS DE LA CLARIFICACIÓN CON SULFATO DE ALUMINIO . 69
GRÁFICA 5: RESULTADOS DE LA CLARIFICACIÓN CON CLORURO FÉRRICO ....... 71
GRÁFICA 6: RESULTADOS DE LA CLARIFICACIÓN CON SULFATO FERROSO....... 73
GRÁFICA 7: RESULTADOS DEL PROCESO 1............................................................... 74
GRÁFICA 8: EVALUACIÓN DEL USO DE OXIDANTES ................................................. 76
GRÁFICA 9: RESULTADOS DEL PROCESO 2............................................................... 81
GRÁFICA 10: REDUCCIÓN DE LA DQO ......................................................................... 81
X
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 1: MOLÉCULA DE METANO...................................................................................... 12
FIGURA 2: PLATAFORMA AMISTAD ...................................................................................... 15
FIGURA 3: DIAGRAMA DEL PROCESAMIENTO DE GAS NATURAL .............................. 19
FIGURA 4: UNIDAD TÍPICA DE DESHIDRATACIÓN POR GLICOL .................................. 21
FIGURA 5: MODELO ESQUEMÁTICO DEL PROCESO DE COAGULACIÓN .................. 25
FIGURA 6: BALANCE ANAEROBIO DE LA MATERIA ORGÁNICA ................................... 28
FIGURA 7: BALANCE AEROBIO DE LA MATERIA ORGÁNICA ......................................... 29
FIGURA 8: ESQUEMA DEL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS ..................................... 30
FIGURA 9: RANGO DE APLICACIÓN DE LAS MEMBRANAS DE FILTRACIÓN ............ 31
FIGURA 10: CLASIFICACIÓN DE LOS POAS ........................................................................ 33
FIGURA 11: CONSIDERACIONES PARA APLICACIÓN DE LOS POAS .......................... 34
FIGURA 12: ESQUEMA DEL PROCESO FENTON A NIVEL INDUSTRIAL ...................... 37
FIGURA 13: ESTRATEGIA DE TRATAMIENTO DE UN AGUA RESIDUAL
CONSIDERANDO SU BIODEGRADABILIDAD....................................................................... 38
FIGURA 14: DIAGRAMA DEL PROCESO OHP ..................................................................... 44
FIGURA 15: REMOCIÓN DE DQO CON EL USO DE SBR .................................................. 46
FIGURA 16: BIORREACTOR BIOSEP ® ................................................................................. 47
FIGURA 17: LÍNEA DE TRATAMIENTO CONVENCIONAL VS BIOSEP ........................... 47
FIGURA 18: REACTOR BIOBED ® ADVANCED ................................................................... 48
FIGURA 19: SISTEMA DE TRATAMIENTO MEMTHANE ® ................................................ 50
FIGURA 20: SISTEMA DE TRATAMIENTO ACTIFLO ® ...................................................... 51
FIGURA 21: TOMA DE MUESTRA IN SITU ............................................................................ 57
FIGURA 22: DIAGRAMA DE FLUJO TRATAMIENTO EXPERIMENTAL 1 ........................ 60
FIGURA 23: MUESTRA DE AGUA CRUDA 1 ......................................................................... 61
FIGURA 24: DIAGRAMA DE FLUJO TRATAMIENTO EXPERIMENTAL 2 ........................ 63
FIGURA 25: MUESTRA DE AGUA CRUDA 2 ......................................................................... 64
FIGURA 26: CLARIFICACIÓN CON PAC ................................................................................ 67
FIGURA 27: CLARIFICACIÓN CON SULFATO DE ALUMINIO ........................................... 69
FIGURA 28: CLARIFICACIÓN CON CLORURO FÉRRICO ................................................. 71
FIGURA 29: CLARIFICACIÓN CON SULFATO FERROSO ................................................. 73
FIGURA 30: AGUA CLARIFICADA ........................................................................................... 74
FIGURA 31: AGUA TRATADA 1 ................................................................................................ 77
FIGURA 32: MUESTRA INICIAL 2 ............................................................................................ 77
FIGURA 33: NUTRIENTES UTILIZADOS ................................................................................ 79
FIGURA 34: MUESTRA TRATADA 2 ....................................................................................... 80
XI
RESUMEN
El Gas Natural, es considerado hoy en día una de las principales
fuentes energéticas después del petróleo; sin embargo, uno de los
problemas más significativos que ocurre durante la extracción del Gas
Natural, es el agua salobre presente en los yacimientos, que sale a la
superficie asociada con el crudo. Es conocida también como agua de
formación, y representa uno de los mayores problemas con los que se
enfrentan las industrias hidrocarburíferas. La caracterización de la
muestra objeto de estudio posee 6562 mg/l de Demanda Química de
Oxígeno (DQO). Mediante el uso de coagulantes y un floculante aniónico
para la clarificación del agua objeto de estudio, se alcanzó una remoción
del 47% de la DQO, luego con el uso de oxidantes más carbón activado
se alcanzó una remoción total del 71% de la DQO en un periodo de 72
horas aproximadamente. Aplicando un tratamiento por lodos activados, se
determinó un rendimiento total de remoción de 79%, en un tiempo
aproximado de 21 días.
Palabras claves: Gas Natural, hidrocarburos, tratamiento de aguas.
XII
ABSTRACT
Natural Gas, is nowadays considered one of the main energy
sources after oil; However, one of the most significant problems during the
extraction of oil or natural gas is the brackish water present in the
reservoirs, that comes to the surface associated with the crude. It’s also
known as formation water, and represents one of the bigger problems that
face hydrocarbon industries. The characterization of the sample under
study has 6562 mg/l of Chemical Oxygen Demand (COD). By using
coagulants for water clarification object of study, a removal of 47% of
COD, then with the use of oxidants and activated carbon it is reached a
total removal of 71% of reached COD over a period of about 72 hours. By
applying a treatment by activated sludge, a total output of 79% removal,
approximate time of 21 days was determined.
Keywords: Natural Gas, hydrocarbons, water treatment.
1
INTRODUCCIÓN
El saneamiento y aprovechamiento del recurso agua se ha convertido
en un tema común para investigadores y empresarios que buscan el bien
común para una sociedad en constante crecimiento y demanda de una
mejor calidad de vida.
Este trabajo presenta los siguientes capítulos:
En el capítulo I se presenta el planteamiento del problema, la
formulación, alcance, limitación del estudio, objetivos y variables de
operación utilizadas.
En el capítulo II se abordan los aspectos teóricos relacionado con el
Gas Natural, así como su reseña histórica, clasificación, composición
química, propiedades; y demás información relevante, así como la
definición de tratamientos de aguas en general y procesos específicos
utilizados para procesar aguas con características similares a las
procedentes de la producción de Gas Natural.
En el capítulo III se basa en la metodología del trabajo investigativo,
así como el desarrollo experimental, la discusión e interpretación de los
resultados con un análisis estadístico, obtenidos a partir de las pruebas
realizadas.
Finalmente se presentan las conclusiones y recomendaciones del
trabajo de investigación, así como las referencias bibliográficas utilizadas
para obtener la información correspondiente.
2
CAPÍTULO 1
La Investigación (El Problema)
1.1 Tema
Evaluación de alternativas y propuesta de un sistema de tratamiento
para reducir la Demanda Química de Oxígeno (DQO) presente en las
aguas de formación provenientes de efluentes de industrias de
procesamiento de gas natural.
1.2 Planteamiento del problema
Las aguas provenientes de la extracción de Gas Natural, deben ser
procesadas con tratamientos Físicos/Químicos que garanticen la
reducción de sus contaminantes para lograr disminuir el impacto
ambiental negativo que puedan causar.
1.3 Formulación del problema
En la actualidad, no se encuentra mucha información relativa al
tratamiento de aguas provenientes de la producción de Gas Natural, por
lo que los resultados del presente trabajo servirán de referencia para
investigaciones futuras.
3
1.4 Limitación del estudio
Durante el desarrollo del presente proyecto tuvimos la principal
limitante del financiamiento económico para realizar mayor cantidad de
pruebas experimentales, sin embargo, logramos obtener resultados
significativos para brindar nuestro aporte técnico respecto al presente
proyecto, el cual se detalla en el capítulo tres.
1.5 Alcance del trabajo
Se evaluarán dos procedimientos experimentales, a fin de determinar
cuál será más conveniente para reducir la Demanda Química de Oxígeno
(DQO), y disminuir el impacto ambiental negativo se pueda ocasionar. El
presente proyecto permite conocer procesos y tecnologías referentes en
el tratamiento de aguas con alta carga orgánica, generadas en industrias
hidrocarburíferas que poseen características similares a las provenientes
del procesamiento del Gas Natural.
1.6 Objetivos
1.6.1 Objetivo general
Identificar y referir tecnologías utilizadas en el tratamiento de aguas
de formación provenientes de procesos hidrocarburíferos para
evaluar el rendimiento de la reducción de la Demanda Química de
Oxígeno (DQO) en efluentes derivados de la producción del Gas
Natural.
4
1.6.2 Objetivos específicos
Determinar los parámetros físico – químicos del agua de formación
proveniente de una industria que realice el procesamiento de Gas
Natural.
Determinar el porcentaje de rendimiento en cuanto a la reducción
de la DQO con los dos tratamientos aplicados.
Seleccionar y proponer la aplicación del mejor tratamiento
experimentado.
1.7 Idea a defender
Aplicando dos procedimientos experimentales, se determina que
proceso es más eficaz para remover la carga orgánica medida en
Demanda Química de Oxígeno (DQO), proveniente de la producción de
Gas Natural.
1.8 Aportaciones
Entre las aportaciones que daremos con el presente trabajo
podemos mencionar lo siguiente:
Tecnológico: Se desarrollan pruebas experimentales con el objeto de dar
resultados significativos que puedan ser utilizados en comparación con
posteriores proyectos similares.
Social: Se dan conclusiones y recomendaciones técnicas para que
puedan ser interpretadas y debatidas con estudiantes o profesionales que
buscan información referente.
5
Académico: El contenido de este trabajo puede ser citado en referencias
bibliográficas para estudiantes que deseen continuar con la mejora o
innovación de tratamiento de aguas en industrias hidrocarburíferas.
1.9 Justificación del trabajo
El agua hoy en día, es un recurso altamente aprovechado tanto a nivel
doméstico como industrial, por ello tiene valor económico, social y
ambiental. El saneamiento y aprovechamiento de este recurso se ha
convertido en un tema común para investigadores y empresarios que
buscan el bien común para una sociedad en constante crecimiento y
demanda de una mejor calidad de vida.
El Gas natural, es sin duda un combustible que tiene muy buenas
expectativas en su uso y comercialización para un futuro próximo; pero,
así también el procesamiento de éste, trae consigo un pasivo ambiental
que puede causar daños al ambiente y calidad de vida que contemple su
zona de influencia.
A través del tiempo, la oferta de energía del yacimiento en el fondo del
pozo puede reducir a consecuencia de la disminución de presión estática
como se puede observar en la Gráfica 1, esto quiere decir que la
producción total de gas irá decreciendo, mientras se incrementa el
porcentaje de agua de formación que existe en el pozo.
6
GRÁFICA 1: PRODUCCIÓN DE GAS NATURAL & AGUA DE FORMACIÓN
Fuente: Producción diaria y mensual de Gas Natural. Campo Amistad (2015)
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
Por esta razón es de mucha importancia que el tratamiento de
estas aguas se de en el menor tiempo y mayor eficiencia posible. El
beneficiario final de este trabajo será el ambiente que rodea a este tipo de
industrias.
1.10 Hipótesis
A partir de una muestra compuesta, determinar las características
físico – químicas del agua, investigar referencias bibliográficas y
determinar qué proceso sería más eficaz para reducir la Demanda
Química de Oxígeno (DQO) en aguas de formación provenientes de la
producción de Gas Natural o industrias que procesen efluentes con
propiedades similares.
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
0
200.000
400.000
600.000
800.000
1.000.000
1.200.000
1.400.000
1.600.000
1.800.000
2012 2015
Gas Natural (MSCF) Agua (Bls)
7
1.11 Variables de operación
Si:
Tratamiento de Aguas = X Agua Tratada o Depurada = Y
Entonces; 𝑦 = 𝑓 (𝑥)
En la tabla 1 se observan las variables utilizadas en el estudio, así
como sus respectivos equipos de medición.
TABLA 1: VARIABLES DE OPERACIÓN
Variable Parámetros Medido
en Equipo de medición
Dependientes
DBO mg/L BOD track HACH/28197-01
DQO mg/L Colorímetro DR/890
Turbidez NTU Colorímetro DR/890
Solidos Suspendidos Totales mg/L Método estándar
Sólidos totales disueltos μs Waterproof Ph/CON 10
Sólidos totales g Calentamiento con crisol
Color Pt-Co Colorímetro DR/890
pH Waterproof Ph/CON 10
Aceites y Grasas mg/L TOG/TPH Analyzer
Nitritos mg/L Colorímetro DR/890
Nitratos mg/L Colorímetro DR/890
Fosfatos mg/L Colorímetro DR/890
Independientes Temperatura °C Waterproof Ph/CON 10
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
8
CAPÍTULO 2
Revisión Bibliográfica
2.1 Estudios Referentes Realizados
2.1.1 Aguas de Formación
Uno de los problemas más significativos durante la extracción de
petróleo o gas natural, es el agua salobre presente en los yacimientos, y
que sale a la superficie asociada con el crudo. Es conocida también como
agua de formación, y representa uno de los problemas que con
mayor dificultad enfrentan las industrias hidrocarburíferas (Bravo, 2007).
El agua de formación es un agua sedimentaria de 150 millones de
años. Debido al prolongado contacto agua/roca, se concentran niveles de
salinidad (particularmente cloruro de sodio y otros sólidos) que pueden
llegar a variar de 30.000 ppm a 100.000 ppm en yacimientos de crudos
pesados (Reyes & Ajamil, 2005). La salinidad del agua del mar
aproximadamente es de 35.000 ppm. La temperatura del agua de
formación sale a la superficie a temperaturas que cubren un rango de
entre 32 a 73 grados centígrados, con una temperatura media de
55 grados centígrados.
9
La cantidad de agua de formación varía con la formación geológica.
Hay campos petroleros o gasíferos que poseen volúmenes mayores que
otros, como sucede con los yacimientos de crudos pesados. En las
operaciones petroleras más antiguas el volumen de aguas de formación
se incrementa, el mismo que la puede ser varias veces mayor que
la de petróleo extraído.
2.1.2 Características Físico – Químicas de la muestra
Las características físicas a considerar se detallan en la Tabla 2:
TABLA 2: CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE AGUAS RESIDUALES
Característica Física Concepto Referencia
Bibliográfica
Turbiedad
Se emplea para indicar la calidad de las aguas vertidas o de las aguas naturales en relación con la materia coloidal y residual en suspensión.
(ETAP, 2015)
Olor
Son causados generalmente por los compuestos volátiles producidos por la descomposición de materia orgánica o por sustancias que se añaden a las aguas residuales.
(Morgan Sagastume, Revah Moises, & Noyola
Robles, 2015)
Conductividad Eléctrica
Parámetro utilizado para medir la dureza del agua, determinada por la concentración de carbonato de calcio (CaCO3), constituye el 90% de sólidos disueltos.
(InfoAgro, 2014)
Sólidos
Pueden ser de tipo orgánico y/o inorgánico y provienen de las diferentes actividades industriales. Se clasifican como: sólidos totales, sólidos en suspensión, sólidos totales disueltos, sólidos totales volátiles y sólidos volátiles en suspensión.
(Morgan Sagastume, Revah Moises, & Noyola
Robles, 2015)
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
10
Las características químicas a considerar se detallan en la Tabla 3:
TABLA 3: CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS DE AGUAS RESIDUALES
Característica Químicas
Concepto Referencia
Bibliográfica
Hidrocarburos Totales de Petróleo
(TPH)
Son una mezcla de sustancias químicas. Se les llama hidrocarburos porque casi todos los componentes están formados enteramente de hidrógeno y carbono. Algunos TPH son líquidos incoloros o de color claro que se evaporan fácilmente, mientras que otros son líquidos espesos de color oscuro o semisólidos que no se evaporan.
(Registry, 1999)
Aceites y Grasas
Son de baja densidad, poca solubilidad en agua, baja o nula biodegradabilidad. Por ello, si no son controladas se acumulan en el agua formando natas en la superficie del líquido.
(Ksmex, 2012)
Potencial Hidrógeno (pH)
Es una medida de la acidez o basicidad de una solución; también es un indicador de la concentración de iones hidronio [H3O+] presentes determinadas en una sustancia. Es común para determinar la calidad del agua
(García L. G., 2015)
Demanda Química de Oxígeno (DQO)
Es la cantidad de oxígeno consumido por la oxidación química de sustancias orgánicas e inorgánicas contenidas en el agua. Normalmente se utiliza un agente químico fuertemente oxidante, como el dicromato de potasio (K2Cr2O7), en medio ácido durante 2 horas de digestión.
(Caza Veloz, 2009)
Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO)
Mide la cantidad de oxígeno consumido por los microorganismos en la descomposición de la materia orgánica en el agua. Sirve para medir la cantidad de oxígeno consumida por microorganismos durante un período de tiempo (por lo general 5 días a 20 °C)
(Spellman, 2014)
11
Característica Químicas
Concepto Referencia
Bibliográfica
Fenoles
Hidróxidos derivados del benceno y su núcleo condensado. Se los asocia a procesos de contaminación de las fuentes por desechos industriales, aguas servidas, fungicidas y pesticidas, hidrólisis y oxidación de pesticidas organofosforados, degradación bacteriológica de herbicidas del ácido fenoxialquílico, entre otros.
(Berrenechea Martel, 2014)
Metales Pesados
Elemento metálico que presenta una densidad superior a 5 g.cm-3, a efectos prácticos en estudios ambientales se amplía esta definición a todos aquellos elementos metálicos o metaloides, de mayor o menor densidad, que aparecen comúnmente asociados a problemas de contaminación.
(Gutiérrez-Ginés, Pastor, &
Hernández)
Nitritos
Son estados intermedios de oxidación entre el amonio y los nitratos. Pueden transformar en el interior de los organismos la hemoglobina en metahemoglobina, obstaculizando la respiración celular y además presentar una capacidad potencial cancerígena.
(Galvín, 2008)
Nitratos
Se proceden mediante la disolución de rocas y minerales, de la descomposición de materias vegetales y animales y de la contaminación por efluentes agrícolas e industriales.
(Galvín, 2008)
Fosfatos
La concentración de fósforo en las aguas residuales domésticas es generalmente adecuada para apoyar el tratamiento biológico de aguas residuales aeróbico. Sin embargo, será cuestión de preocupación cuando el efluente tratado es para ser reutilizado.
(Ghangrekar, 2014)
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
12
2.2 Investigación Bibliográfica
2.2.1 Gas Natural
El Gas Natural es un compuesto incoloro e inodoro, constituido por
una mezcla de hidrocarburos en la que su principal componente es el
metano (CH4), una molécula sencilla formada por 1 átomo de carbono y 4
átomos de hidrógeno (Ver Figura 1), aunque contiene también otros
hidrocarburos ligeros como el etano (C2H6), el propano (C3H8), el butano
(C4H10) o el pentano (C5H12) en mucha menor proporción, todos tienen un
punto de ebullición muy bajo, de hasta -158,9°C en el caso del metano
(López Jimeno, 2002). Su composición química, varía sensiblemente
según su procedencia, ya que acostumbra a ir asociada a otras moléculas
o elementos como el ácido sulfhídrico (H2S), el anhídrido carbónico (CO2),
el nitrógeno (N2) o el helio (He) que se extrae cuando el gas natural se
destina a usos industriales y domésticos (López Jimeno, 2002).
FIGURA 1: MOLÉCULA DE METANO
Fuente: Wikipedia.org/metano
13
2.2.2 Proceso de Formación del Gas Natural
El origen del gas natural, como el del petróleo, se encuentra en los
procesos de descomposición de la materia orgánica, que tuvieron lugar
entre 240 y 70 millones de años atrás, durante la época en la que los
grandes reptiles y los dinosaurios habitaban el planeta (Era del
Mesozoico). Esta materia orgánica provenía de organismos planctónicos
que se fueron acumulando en el fondo marino de plataformas costeras o
en las cuencas poco profundas de estanques (López Jimeno, 2002).
En la medida que se acumulaba lodo, arena y sedimento, se fueron
formando capas de roca a gran profundidad. La presión causada por el
peso sobre éstas capas más el calor de la tierra, transformaron
lentamente el material orgánico en petróleo crudo y en gas natural.
Los gases generados, por diferencia de presiones, ascendieron por
las rocas porosas de la corteza terrestre hasta llegar a capas de terreno
impermeable, bajo las que quedaron atrapados originando las grandes
bolsas o yacimientos de los que hoy en día sacamos provecho los
humanos (López Jimeno, 2002).
El gas se puede producir de 3 formas:
1. Yacimientos de Gas Asociado, donde el producto principal es el
petróleo.
2. Yacimientos de Gas Libre, donde el producto principal es el gas.
3. Yacimientos de Gas Condensado o Gas Rico, donde el gas está
mezclado con hidrocarburos líquidos.
14
2.2.3 Reseña Histórica de la Producción de Gas Natural en Ecuador
La primera exploración sistemática de las cuencas situadas en la
costa ecuatoriana, incluidas zonas importantes de aguas territoriales, fue
realizada entre 1940 y 1945 por la International Ecuadorian Petroleum
Company, que se retiró en 1955.
En 1968, un grupo de compañías norteamericanas, agrupadas bajo el
nombre de ADA, obtuvo el traspaso de la concesión para explorar y
explotar los recursos hidrocarburíferos del Golfo de Guayaquil. Este
consorcio descubrió yacimientos de Gas Natural en el campo amistad.
A fines de octubre del 2002 y una vez concluida la construcción de un
gasoducto submarino desde la plataforma hasta Bajo Alto, se inició la
explotación del Gas, generándose 130 megavatios de electricidad.
A partir del 2 de enero de 2011, acorde con el Decreto Ejecutivo 1351-
A, este Bloque pasó a ser operado por EP Petroecuador. Este Decreto
viabilizó la fusión por absorción de la Gerencia de Exploración y
Producción y las áreas de exploración y producción de la Gerencia de
Gas Natural de EP Petroecuador.
Desde enero de 2010 se inició el proceso de fusión por absorción
entre Petroamazonas EP y la Gerencia de Producción de Petroecuador
(Ecuador EDC, 1999).
En la Figura 2 podemos visualizar la Plataforma Amistad, ubicada en
el Bloque 6, actualmente operada por Petroamazonas EP.
15
FIGURA 2: PLATAFORMA AMISTAD
Fuente: (EP Petroamazonas, 2015)
2.2.4 Composición y Características del Gas Natural
El Gas Natural es una mezcla de sustancias, siendo el metano (CH4)
el principal, otros componentes son hidrocarburos parafínicos como: etano
(C2H6), propano (C3H8) y butano (C4H10), también puede contener
pequeñas cantidades de pentanos (C5+). Algunos hidrocarburos
aromáticos; benceno (C6H6), tolueno (C6H5CH3) y xilenos (CH3C6H4CH3)
pueden también estar presentes en el gas natural. Físicamente los
componentes se caracterizan por ser incoloros, inodoros e insípidos, los
cincos primeros de las series (metano - butano) son gases a temperaturas
y presión ambiente, los restantes, pentanos y más pesados son líquidos
más ligeros que el agua e insolubles en ella, pero sí lo son en otros
componentes orgánicos (alcohol, éter, benceno, etc.). La composición del
gas varía según el yacimiento del cual proviene.
16
TABLA 4: COMPOSICIÓN DEL GAS NATURAL DE POZO EN BASE SECA
Composición del Gas de Pozo en Base Seca
Componente % Molar
Nitrógeno 0,152%
Hidrogeno 0,016%
Oxigeno 0,004%
Dióxido de Carbono 0,000%
Metano 99,450%
Etano 0,198%
Propano 0,057%
Iso-Butano 0,022%
Normal-Butano 0,066%
Iso-Pentano 0,006%
Normal-Butano 0,000%
Hexanos y Superiores (C6+) 0,030%
Fuente: (Estratégicos, 2013)
Según la composición en base seca del Gas Natural procesado en la
Plataforma Amistad, el porcentaje molar para del metano está en 99,45%,
(Ver Tabla 4), por esta razón, se considera un yacimiento de gas libre.
2.2.5 Clasificación del Gas Natural
El Gas Natural se puede clasificar de acuerdo a su presencia de
compuestos sulfurosos en: Gas dulce, cuando no contiene sulfuro de
hidrógeno y Gas Agrio cuando contiene cantidades apreciables de sulfuro
de hidrógeno, por lo tanto, es muy corrosivo; y de acuerdo a la cantidad
de vapor de agua presente puede ser: Gas rico (húmedo), aquel del que
puede obtenerse cantidades apreciables de hidrocarburos líquidos, y Gas
pobre (seco), que está formado prácticamente por metano (Pocomucha,
2014).
17
2.2.6 Reservas de Gas en el Mundo
Existen yacimientos de gas natural en todos los continentes del
planeta. Los depósitos naturales más importantes hasta ahora
descubiertos se encuentran en países como Estados Unidos y Canadá en
América del Norte; Argentina, Venezuela y Trinidad y Tobago en América
del Sur; Alemania, Dinamarca, Finlandia, Noruega, Italia, Holanda o Gran
Bretaña en Europa; la Federación Rusa, Uzbekistan, Kazakhstan y
Turkmenistan; Argelia, Libia, Nigeria o Egipto en África; Arabia Saudí,
Kuwait, Irak, Qatar, Emiratos Árabes o Irán en Oriente Medio; y Australia,
India o China en Asia-Oceanía (BP, 2013).
En Europa, las reservas mundiales representan un 3,5% del total. Los
tres grandes países productores son Gran Bretaña, Noruega y Holanda –
este último con las reservas probadas más importantes de todo el
continente–, buena parte de las cuales han sido encontradas en el Mar
del Norte. Las primeras explotaciones fueron las de los yacimientos
descubiertos en Austria, Italia y Francia (López Jimeno, 2002).
2.2.7 Proceso de Producción de Gas Natural en Plataformas
Offshore
Las plataformas Offshore son aquellas que se encuentran ubicadas
mar adentro, cuyo fin es extraer petróleo o gas natural del subsuelo
marino.
18
En el contexto mundial, las operaciones Offshore o “costa afuera” se
concentran actualmente en el mar del norte, el golfo de México, Brasil, el
oeste de África y el sureste de Asia (Bellini, 2015).
Ecuador cuenta con la plataforma offshore “Amistad” para extracción de
Gas Natural, la cual se encuentra ubicada a 65 Km. desde Puerto Bolívar
en el Golfo de Guayaquil. La profundidad del agua en el sitio de la
plataforma es de 132 pies. (Ecuador EDC, 1999). La Tabla 5 detalla las
condiciones actuales de la Plataforma Amistad.
TABLA 5: CONDICIONES DE LA PLATAFORMA AMISTAD
CONDICIONES DEL SITIO
Título Unidades
Presión atmosférica 14,65 psia (757.4 mmHg)
Altura sobre el nivel del mar 65,62 ft (20 msnm)
Temperatura ambiente máxima 100°F
Temperatura ambiente mínima 59°F
Humedad relativa media anual 84%
Precipitación media anual 0,66 a 2,3 ft (200 a 700 mm)
Zona Sísmica (CEC) 0,3
Ola Altura máxima
Tass
10 ft
5,5 seg
Viento velocidad promedio,
dirección predominante
23 ft/s, NE
Corriente Vs
Corriente Vb
6 ft/s
1,5 ft/s
Marea Máx.
Marea Mín.
+7 ft
-4 ft
Temperatura del Mar 24°C - 27 °C
Fuente: Petroamazonas EP
19
La planta procesadora de Gas Natural, ubicada en Bajo Alto, con
coordenadas UTM WS84, 17S son X = 624405, Y = 9655595, está
encargada de procesar el Gas Natural proveniente de la plataforma
“Amistad”, remoción de agua de condensados e impurezas y dejarlo en
parámetros de comercialización. Este proceso además implica control de
la presión de despacho mediante reguladores de presión (Ver Figura 4);
siendo los parámetros del Gas al ingresar a planta los siguientes:
Humedad en la tubería de entrada: 28 Lb/MMSCF
Presión en la tubería de entrada: 575 – 650 PSI
Temperatura en la tubería de entrada: 75 – 85 ºF
FIGURA 3: DIAGRAMA DEL PROCESAMIENTO DE GAS NATURAL
Fuente: Petroamazonas EP
La Figura 3 muestra el diagrama básico en industrias hidrocarburíferas
para el procesamiento de Gas Natural.
.
20
2.2.7.1 Proceso de deshidratación de Gas Natural.
Bajo condiciones normales de producción, el gas natural está
saturado con agua. Esta se combina con moléculas de gas (metano,
etano, propano, etc.), se forman los hidratos solidos los cuales pueden
taponar válvulas, equipos y algunas líneas de gas. La presencia de agua
líquida puede incrementar la corrosividad del gas natural cuando este
contiene H2S y CO2. Uno de los métodos principal para la deshidratación
del Gas Natural es por absorción con glicol. Esto implica en el uso de un
desecante líquido para la eliminación de vapor del gas. El líquido
seleccionado como el más deseable para la absorción de agua debe
poseer las siguientes propiedades:
Alta eficiencia de absorción
Debe ser no corrosivos a los tubos y válvulas y ser no tóxicos
No debe haber interacción con la parte de hidrocarburos de los
gases y ninguna contaminación por gases ácidos.
Los glicoles, especialmente etilenglicol, dietilenglicol, trietilenglicol, se
acercan más a la satisfacción de los criterios antes mencionados.
En la Figura 4 podemos observar un esquema referente a una
unidad de deshidratación utilizada en industrias que procesan Gas
Natural.
21
FIGURA 4: UNIDAD TÍPICA DE DESHIDRATACIÓN POR GLICOL
Fuente: (Ormelquev, 2010)
2.3 Tratamiento de Aguas Residuales
El agua es un recurso natural indispensable para la vida. Constituye
una necesidad primordial para la salud, por ello debe considerarse uno de
los derechos humanos básicos.
En las sociedades actuales el agua se ha convertido en un bien muy
preciado, debido a la escasez, es un sustento de la vida y además el
desarrollo económico está supeditado a la disponibilidad de agua (García
G. , 2002)
La mayor parte del agua potable en el mundo se encuentra en
acuíferos (aguas subterráneas) de poca profundidad. La mayoría de los
acuíferos de agua potable se alimentan de fuentes superficiales y son
altamente susceptibles a contaminarse con otros fluidos.
22
Los contaminantes en las aguas residuales, de cualquier tipo de
descarga son normalmente una mezcla compleja de compuestos
orgánicos e inorgánicos (Arnold, 2004).
Los sistemas de tratamientos de aguas residuales se dan con el fin de
eliminar o minimizar los agentes contaminantes que se encuentran
presentes en las descargas de efluentes industriales principalmente. La
Tabla 6 resume los principales contaminantes de las aguas residuales
industriales, así como sus principales causas de importancia.
TABLA 6: CONTAMINANTES DE IMPORTANCIA EN AGUAS RESIDUALES
Contaminantes de Importancia en Aguas Residuales
Contaminante Causa de su Importancia
Sólidos Suspendidos Pueden conducir al desarrollo de depósitos de lodos y condiciones anaerobias cuando se descargan AR crudas en un medio acuático
Materia Orgánica Biodegradable
Está compuesta principalmente de proteínas, carbohidratos y grasas. Se mide en términos de DBO y DQO por lo general. Si no es previamente removida puede producir agotamiento de oxígeno disuelto de la fuente receptora y desarrollo de condiciones sépticas
Patógenos Producen enfermedad
Nutrientes
El C, N y P son nutrientes. Cuando se descargan en las aguas residuales pueden producir crecimiento de vida acuática indeseable. Cuando se descargan en cantidades excesivas sobre el suelo pueden producir polución del agua subterránea
Materia Orgánica Refractaria Resiste tratamiento convencional
Metales Pesados Provienen de aguas residuales comerciales e industriales y es posible que deban ser removidos para reúso del agua
Sólidos Inorgánicos Disueltos
Algunos como el calcio, sodio y sulfatos son agregados al suministro doméstico original como resultado del uso y es posible que deban ser removidos para reúso del agua
Fuente: (Romero Rojas, 2013)
23
Los agentes que se eliminan son de dos tipos: Sustancias inorgánicas
sólidas y sustancias organizadas disueltas/suspendidas, por lo cual se
deben aplicar diferentes procesos físicos, químicos o combinados,
obteniendo aguas aptas para ser descargadas (Romero Rojas, 2013).
2.4.1 Tipos de Tratamiento
Entre los principales tipos de tratamientos para aguas residuales, se
destacan los siguientes:
2.4.1.1 Pre-Tratamientos
Los pre-tratamientos de aguas residuales implican en la reducción de
sólidos en suspensión o el acondicionamiento de las aguas residuales
para su descarga. Entre los principales están: Desbaste, tamizado,
desarenado, desengrasado.
2.4.1.2 Tratamientos Primarios
Estos tratamientos son aquellos que eliminan sólidos en suspensión
presentes en el agua residual. Los tipos fundamentales de tratamientos
primarios son: Cribado, sedimentación, flotación, neutralización.
2.4.1.3 Tratamientos Secundarios
Nos hace referencia a todos los procesos de tratamiento biológicos de
las aguas residuales tanto aerobios como anaerobios. Entre los que
están: Filtros biológicos, lagunas de estabilización, lodos activados,
humedales.
24
2.4.1.4 Tratamientos Terciarios
También llamados tratamientos avanzados, es la serie de procesos
destinados con el fin de conseguir una calidad del efluente superior a la
del tratamiento secundario convencional. Consta de los siguientes tipos
de tratamientos: Adsorción en carbón activado, intercambio iónico,
osmosis inversa, electrodiálisis.
2.4.2 Coagulación - Floculación
En el campo del tratamiento de aguas, la coagulación es, por
definición, el fenómeno de desestabilización de las partículas coloidales,
que puede conseguirse especialmente por medio de la neutralización de
sus cargas eléctricas. Se llama coagulante al producto utilizado para esta
neutralización (Romero Rojas, 2013).
Las aguas residuales industriales presentan composiciones muy
variables, según la industria considerada. En algunos casos, el agua
contiene un constituyente capaz de flocular por simple agitación o que lo
hace mediante la adición de un floculante; otras veces, es necesario
utilizar un coagulante que de origen a un precipitado que pueda flocularse
a continuación. La Figura 5 muestra un modelo esquemático del proceso
de coagulación, donde se muestran las fases del hidrólisis de los iones
metálicos, adsorción de las especies hidrolíticas, aglomeración de las
partículas desestabilizadas, formación de los flóculos y finalmente la
precipitación del hidróxido metálico.
25
FIGURA 5: MODELO ESQUEMÁTICO DEL PROCESO DE COAGULACIÓN
Fuente: (Martel, 2015)
Principales coagulantes
Acorde a lo establecido en (Martel, 2015), los principales coagulantes
utilizados para desestabilizar las partículas y producir el “floc” son:
Sulfato de aluminio (forma líquida o sólida):
Conocido como Alumbre, es un coagulante efectivo en intervalos de pH 6
a 8. Produce un flóculo pequeño y esponjoso por lo que no se usa en
precipitación previa de aguas residuales por la alta carga contaminante
del agua.
26
Al2 (SO4)3 + 3Ca (HCO3)2 → 3CaSO4 + 2 Al (OH)3 + 6 CO2
Dosis: en clarificación, 10 a 150 g/m3 (expresada en producto comercial)
según la calidad del agua bruta.
Cloruro férrico (generalmente en forma líquida, a veces
cristalizado)
Es similar al sulfato férrico, aunque de aplicación muy limitada por tener
un intervalo de pH más corto
2 FeCl3 + 3 Ca (HCO3)2 → 3 CaCl2 + 2 Fe (OH)3 + 6 CO2
Dosis: En clarificación, 5 a 150 g/m3 de cloruro férrico comercial FeCl3, 6
H2O. En tratamiento de aguas residuales urbanas, 100 a 500 g/m3 de
cloruro férrico comercial FeCl3, 6 H2O
Sulfato ferroso:
FeSO4 + Ca (HCO3)2 → Fe (OH)2 + CaSO4 + 2 CO2
Dosis: En clarificación, se necesitan de 10 a 100 g/m3 de reactivo
comercial FeSO4, 7 H2O.
En cuanto a los floculantes orgánicos más utilizados, pueden citarse
los siguientes: Praestol, Superfloc, Magnafloc, alginatos, Prosédim,
Purifloc.
En la elección del coagulante deben tenerse en cuenta diversos factores:
Naturaleza y calidad del agua bruta.
Variación de la calidad del agua bruta (variaciones diarias o según
las estaciones, en especial, influencia de la temperatura).
27
Criterios de calidad y destino del agua tratada.
Tratamiento previsto después de la coagulación (coagulación sobre
filtro, decantación).
Grado de pureza del reactivo.
Evaluación de la Calidad de los “Flocs”
El “Índice de Willcomb” permite asignar un valor cualitativo para poder
calificar la formación más consistente y rápida de sedimentar, de los
“flocs” (Ver Tabla 7).
TABLA 7: ÍNDICE DE WILLCOMB
Índice de Willcomb
Descripción
0 Flóculo coloidal.
2 Visible. Flóculo muy pequeño, casi imperceptible para un observador no entrenado.
4 Disperso. Flóculo bien formado, pero uniformemente distribuido (Sedimenta muy lentamente o no sedimenta).
6 Claro. Flóculo de tamaño relativamente grande pero que precipita con lentitud.
8 Bueno. Flóculo que se deposita fácil pero no completamente.
10 Excelente. Flóculo que se deposita completamente dejando el agua cristalina.
Fuente: (Giordani, Gonzáles, Morales, Quijano, & Tejada, 2008)
2.4.3 Tratamientos anaeróbicos - aeróbicos
La remoción de materia orgánica constituye uno de los objetivos del
tratamiento de las aguas residuales, utilizándose en la mayoría de los
casos procesos biológicos.
28
Tratamiento Anaerobio: La digestión anaerobia es un proceso de
transformación y no de destrucción de la materia orgánica, como no hay
presencia de un oxidante en el proceso, la capacidad de transferencia de
electrones de la materia orgánica permanece intacta en el metano
producido. En vista de que no hay oxidación, se tiene que la DQO teórica
del metano equivale a la mayor parte de la DQO de la materia orgánica
digerida (90 a 97%), una mínima parte de la DQO es convertida en lodo (3
a 10%) (Ver Figura 6). En las reacciones bioquímicas que ocurren en la
digestión anaerobia, solo una pequeña parte de la energía libre es
liberada, mientras que la mayor parte de esa energía permanece como
energía química en el metano producido (Rodríguez V., 2015).
FIGURA 6: BALANCE ANAEROBIO DE LA MATERIA ORGÁNICA
Fuente: (Rodríguez V., 2015)
Tratamiento Aerobio: En este tipo de tratamiento se llevan a cabo
procesos catabólicos oxidativos. Como el catabolismo oxidativo requiere
la presencia de un oxidante de la materia orgánica y normalmente este no
está presente en las aguas residuales, este requiere ser introducido
artificialmente. La forma más conveniente de introducir un oxidante es por
29
la disolución del oxígeno de la atmósfera, utilizando la aireación
mecánica. Otra parte de la DQO de la materia orgánica es convertida en
lodo, que cuenta con un alto contenido de material vivo que debe ser
estabilizado (Ver Figura 7) (Rodríguez V., 2015).
FIGURA 7: BALANCE AEROBIO DE LA MATERIA ORGÁNICA
Fuente: (Rodríguez V., 2015)
2.4.4 Lodos Activados
Es el tratamiento más utilizado en el mundo para el tratamiento de
aguas residuales, existen alrededor de trece variantes de lodos activados;
los sistemas de flujo pistón, totalmente mezclado de media carga y el de
aireación extendida (baja carga) son los más comunes. Una variante
particular es el reactor secuencial por lotes SBR (sequencing batch
reactor) que opera en forma discontinua con las etapas de alimentación,
reacción, sedimentación y vaciado. La gran ventaja de este sistema es
que se lleva a cabo en un solo tanque, el cual cuenta con dispositivos
para proveer aeración, mezclado y sedimentación. Este sistema debe
contar con al menos dos tanques que funcionen en forma alternada.
30
En los procesos de lodos activados, los microorganismos se
encuentran mezclados con la materia orgánica que digerirán para
reproducirse y sobrevivir. Cuando la masa de microorganismo crece y es
mezclada con la agitación introducida al tanque por medios mecánicos o
de inyección de aire, ésta tiende a agruparse (floculación) para formar una
masa activa de microorganismos denominada lodo activado; a la mezcla
de este lodo con el agua residual se llama licor mezclado. El licor
mezclado fluye del tanque de aireación a un clarificador secundario donde
el lodo activado sedimenta (Ver Figura 8). Una porción del lodo
sedimentado debe ser retornado al tanque de aireación para mantener
una apropiada relación sustrato-microorganismo y permitir así una
adecuada degradación de la materia orgánica (Noyola, Morgan, &
Guereca, 2013).
FIGURA 8: ESQUEMA DEL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS
Fuente: (Romero Rojas, 2013)
31
2.4.5 Filtración
Está técnica fue desarrollada hace dos décadas para el tratamiento de
aguas. Los sistemas de filtración por membranas pueden ser
categorizados en: Micro filtración (MF), ultra filtración (UF), nano filtración
(NF) y ósmosis inversa (RO). En la Figura 9 podemos observar un rango
de aplicación para la conveniente tecnología de filtración a ser utilizada en
función de los tamaños relativos de cada partícula o su peso molecular.
FIGURA 9: RANGO DE APLICACIÓN DE LAS MEMBRANAS DE FILTRACIÓN
Fuente: (Procesosbio, 2014)
Las membranas pueden ser elaboradas de varios materiales,
mayormente polímeros como celulosas, nylon, y también algunas
provenientes de cerámicas. De acuerdo a la aplicación, las membranas
pueden ser de: fibra porosa, membranas tubulares o espirales. Producen
una permeabilidad (del agua a tratar) y retención (donde se concentra el
contaminante).
32
2.4.6 Procesos de Oxidación Avanzada (POAs)
Las aguas contaminadas pueden, en general, ser procesadas
eficientemente por plantas que incluyen el tratamiento primario como
adsorción con carbón activado u otros adsorbentes, o por tratamientos
químicos convencionales (oxidación térmica, cloración, ozonización,
permanganato de potasio, etc.), y tratamiento biológico. Sin embargo, en
algunos casos, estos procedimientos resultan inadecuados para alcanzar
el grado de pureza requerido por ley o por el uso posterior del efluente
tratado (Xavier, Jardim, & Litter., 2014). En estos casos, y cada vez más
recientemente, se está recurriendo en los países industrializados al uso
de las llamadas Tecnologías o Procesos de Oxidación Avanzada (POAs),
definidas por Glaze et al. (1987) como aquellos procesos que implican la
generación de radicales hidroxilos (°OH) en cantidades suficientes como
para degradar la materia orgánica del medio, muy poco aplicados y, peor
aún, menos difundidos en los países de economías emergentes como los
de América Latina. (Salas & Ale, 2008).
Según (Martínez, 2008) los principales objetivos de la aplicación de POAs
son:
Mineralización de los contaminantes, especialmente los orgánicos
recalcitrantes, hasta su completa transformación en dióxido de
carbono, agua y aniones inorgánicos, evitando la formación de
subproductos o residuos (procesos de carácter destructivo).
33
Degradación de contaminantes orgánicos en compuestos más
biodegradables y/o menos tóxicos (pre-tratamiento antes de un
proceso biológico).
Eliminación de color y/o olor.
Desinfección.
Una clasificación de los POAs es en función de la fuente de
generación de la especie oxidante, es decir, el método para generar los
radicales hidroxilos. En la Figura 10 se muestra el esquema de esta
clasificación, donde se recogen los principales tipos de POAs.
FIGURA 10: CLASIFICACIÓN DE LOS POAS
Fuente: (Gogate & Pandit, 2004)
34
Consideraciones sobre el rango de aplicación de los POAs
Existen publicadas revisiones sobre los fundamentos de cada tipo de
POAs como los trabajos de (Gogate & Pandit, 2004) o el libro editado por
Parsons (2004) “Advanced Oxidation Processes for Water and
Wastewater Treatment”.
La figura 11 muestra un posible rango de aplicación de cada proceso
en función de la carga de materia orgánica y el flujo de corriente residual
a tratar. Cada área muestra el proceso más eficaz dentro de sus límites.
Se ha de tener en cuenta que los valores mostrados se indican como guía
general, pero cada caso debe ser considerado individualmente.
FIGURA 11: CONSIDERACIONES PARA APLICACIÓN DE LOS POAS
Fuente: (Ortíz, Forero, & Ríos, 2005)
2.4.6.1 Potencialidad de Uso del Reactivo FENTON
A la combinación de H2O2 y sales de hierro se denomina reactivo
Fenton, descrito por primera vez en 1894 por Henry J. Fenton.
35
Además de formarse radicales -OH, los cuales poseen propiedades
adecuadas para atacar virtualmente a todos los compuestos orgánicos y
reaccionar 106-1012 veces más rápido que oxidantes alternativos como el
ozono (O3) (Ver Tabla 8), se generan radicales perhidroxilo (HO°2).
TABLA 8: POTENCIALES REDOX DE AGENTES OXIDANTES
Fuente: (Salas & Ale, 2008)
La reacción es catalizada por los iones ferrosos en ambiente ácido por
medio de agua oxigenada como agente oxidante y productor/iniciador de
los radicales que toman parte de una serie de reacciones en cadena.
Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + HO- + OH•; k = 76 L mol-1 s-1
Fe (II) + OH• → Fe (III) HO-; k = 0.01 L mol-1 s-1
RH + OH• + H2O → ROH + H3O+
36
A pH < 3, la reacción es autocatalítica, ya que el Fe (III) descompone el
H2O2 en O2 y H2O a través de un mecanismo en cadena, como muestran
las siguientes reacciones:
Fe (II) + OH• → Fe(III) HO-
Fe3+ + H2O2 → Fe-OOH2+ + H+
Fe-OOH2+ → HO2• + Fe2+
Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + HO- + OH•
HO2 • + Fe2+ → Fe3+ + HO2
HO2• + Fe3+ → Fe2+ + O2 + H+
OH• + H2O2 → H2O + HO2v
Todas estas reacciones, sustancialmente, producen una fuerte
disminución de los pesos moleculares de los productos orgánicos y una
consecuente oxidación de estos últimos en el agua tratada, así como
oxidación de metales pesados a su estado estable de precipitación
(Xavier, Jardim, & Litter., 2014).
Según (Rodríguez, Flesler, & Lehmann, 2014) la dosis de reactivos
requeridos de acuerdo a la DQO del efluente se determina a partir de la
siguiente relación:
H2O2[mlL⁄ ] =
DQO [mgO2
L⁄ ]
141,2 [mgO2
L⁄ ]
37
El valor que resulta de esta expresión, son los mililitros de agua
oxigenada (al 30%) a adicionar por litro de efluente a tratar.
Bajo condiciones óptimas de temperatura (30 ºC), H2O2 (3M), Fe2+
(0.06 M) y para un tiempo de reacción de 100 min., los resultados
muestran una conversión de DQO de aproximadamente 85, 97.5 y 65% a
pH 2, 3 y 5, respectivamente, mediante el tratamiento FENTON
(Piagnatello, Oliveros, & MacKay, 2006). La Figura 12 muestra un
esquema del proceso Fenton aplicado a nivel industrial.
FIGURA 12: ESQUEMA DEL PROCESO FENTON A NIVEL INDUSTRIAL
Fuente: (Blanco, 2009)
2.4.7 Combinación de POAs y tratamientos biológicos
Los POAs emplean normalmente altas cantidades de reactivos, por lo
tanto, requieren altos consumos de energía, por lo que los costes de
operación son elevados. Una solución económicamente atractiva consiste
en la combinación de algún POA, capaz de incrementar la
biodegradabilidad de las aguas, con un post-tratamiento biológico,
proceso que presenta la mejor relación coste – eficacia.
38
Con objeto de determinar la compatibilidad, existen diferentes técnicas
para medir la biodegradabilidad de un agua. El parámetro DBO/DQO se
puede utilizar como estimación del grado de biodegradabilidad de un agua
residual. Los siguientes valores son dados como guía (Sirtori, et al.,
2009).
DBO/DQO > 0,59 = Fácilmente biodegradable.
DBO/DQO ≈ 0,1 - 0,59 = Parcialmente biodegradable.
DBO/DQO < 0,1 = No biodegradable.
La figura 13 muestra una estrategia de tratamiento para trata una
muestra de agua residual considerando su biodegradabilidad. Si el agua
muestra toxicidad y/o baja biodegradabilidad, se necesita utilizar un
pretratamiento, por ejemplo, mediante POAs, antes del tratamiento
biológico.
FIGURA 13: ESTRATEGIA DE TRATAMIENTO DE UN AGUA RESIDUAL CONSIDERANDO SU BIODEGRADABILIDAD
Fuente: (Martínez, 2008)
39
2.5 Tratamiento de Aguas en Industrias con procesos
Hidrocarburíferos
En rasgos generales, los contaminantes presentes en las aguas
residuales de origen petroquímico presentan baja solubilidad en el agua,
son lipofílicos y se bioacumulan a lo largo de la cadena trófica,
representando una seria amenaza para los ecosistemas. (Rubio-
Clemente, Torres-Palma, & Peñuela, 2014).
Los objetivos de tratar aguas provenientes de procesos
hidrocarburíferos, principalmente son:
Remoción de aceites dispersos y grasas
Remoción de compuestos orgánicos solubles
Desinfección
Remoción de partículas sólidos y partículas suspendidas
Remoción de gas disuelto: hidrocarburos livianos, dióxido de
carbono
Remoción de sales disueltas
2.5.1 Contaminantes Provenientes de las Aguas de Formación
La composición de este tipo de aguas depende de la naturaleza de la
fuente donde se obtienen, las condiciones de operación y los químicos
utilizados en el proceso de extracción. Las aguas provenientes de
procesos de extracción de petróleo o gas natural son cualitativamente
40
similares. Entre los compuestos mayoritarios que se encuentran en las
aguas de producción, están los siguientes:
Compuestos disueltos y dispersos de aceites
Compuestos químicos residuales
Gases disueltos
Metales Pesados
Otros contaminantes son arenas y sales en estado sólido y parafinas y
asfáltenos. Generalmente contiene fracciones pesadas de propano y más
pesados que generan condensados a condiciones de presión y
temperatura favorables. (Rodríguez I. J., 2007)
2.5.2 Estudios Preliminares para Tratamiento de Aguas de
Formación
Las técnicas empleadas para tratar las aguas residuales de proceso
posteriores a la separación del Gas Natural incluyen la clasificación por
origen y el pretratamiento de corrientes de aguas residuales
concentradas. Las fases del tratamiento de estas aguas suelen incluir:
filtros de grasas, espumadores, flotación por presurización-
despresurización o separadores de agua/aceite; sedimentación para la
reducción de sólidos en suspensión utilizando clarificadores; tratamiento
biológico, normalmente aerobio, para reducir las sustancias orgánicas
solubles; eliminación de nutrientes químicos o biológicos para la reducción
de nitrógeno y fósforo; cloración de los efluentes siempre que se requiera
41
la desinfección; y drenaje y eliminación de residuos en vertederos
designados para residuos peligrosos (Internacional, 2014).
Está claro que, utilizando combinaciones de tecnologías diferentes, es
posible reducir los contaminantes en agua producida a niveles casi
indetectables. La Tabla 9 muestra las tecnologías evaluadas por el API
(Instituto Estadounidense del Petróleo). Cabe señalar que los importantes
avances tecnológicos han sido realizados desde 1995. (New Logic, 2015)
TABLA 9: TECNOLOGÍAS DISPONIBLE PARA LA GESTIÓN Y TRATAMIENTO DEL AGUA PRODUCIDA
Método de
Tratamiento Ventajas Desventajas Costo
Absorción de
Carbono
Sistemas
modulares de
carbono
granular
activado.
Elimina hidrocarburos y ácido,
compuestos bases y neutrales;
bajo consumo energético; mayor
capacidad de producción que
otros tratamientos (excepto
biológicas); trata una amplia
gama de contaminantes; muy
eficiente en eliminar alto MW
Orgánicos.
Ensuciamiento de gránulos de
carbono es un problema;
produce residuos de carbono
y repercusión; requiere algún
pretratamiento del flujo de
agua producida.
Moderado
Filtración por
Membranas
Membranas
poliméricas de
Nano filtración y
Osmosis
Inversa.
Retirada efectiva de partículas y
aceite emulsionado y dispersado;
huella pequeña, bajo peso y bajo
consumo de energía; ratio alto de
rendimiento.
No elimina los volátiles o
componentes de bajo peso
molecular. Petróleo, sulfuros o
bacterias pueden ensuciar la
membrana, que exige
limpieza; rechazo puede
contener materiales
radiactivos; requiere
pretratamiento de
alimentación.
Bajos costos de
operación
Luz
ultravioleta
Irradiación por
las lámparas
ultravioletas.
Destruye los componentes
orgánicos disueltos y orgánicos
volátiles y no volátiles, incluso
orgánicos biocidas; no genera
flujo de residuos adicionales;
manejo molesto o condiciones de
carga alta.
No tratar amoníaco, petróleo
dispersado, metales pesados,
o la salinidad; relativamente
altas necesidades de energía;
las lámparas UV (ultravioleta)
pueden llegar a ser viciado;
los residuos pueden ser
tóxicos si se utiliza peróxido;
requiere algún pretratamiento
de flujo de agua producida.
Similares los
costos de capital
a la oxidación
química con
ozono, pero los
gastos de
funcionamiento
menores porque
no flujos de
residuos
42
Método de
Tratamiento Ventajas Desventajas Costo
Oxidación
Química
Oxidación de
Ozono y/o de
peróxido de
hidrógeno.
Elimina H2S y partículas; trata
hidrocarburos, ácido, orgánicos
bases y neutrales, volátiles y no
volátiles; necesidad energética
baja si se utiliza el sistema
peróxido; fácil de operar.
Entradas de alta energía para
el sistema de ozono; el
petróleo puede ensuciar el
catalizador; puede producir
lodos y residuos tóxicos;
requiere algún tratamiento
previo de flujo de agua
producida.
Moderados
costos de
operación
Tratamiento
biológico
Sistema
aeróbico con
una capa de
biotower fija o
crecimiento
suspendido (por
ejemplo, eje
profundo).
Trata hidrocarburos
biodegradables y compuestos
orgánicos, H2S, algunos metales
y, en algunas condiciones,
amoniaco; las necesidades de
energía moderadas; maneja
cargas variables, si aclimatada
Grandes, maquinaria pesada
necesaria para largo tiempo
residiendo; la acumulación de
aceite y hierro obstaculiza la
actividad biológica; la
aireación hace que la escala
de calcio se forme; produce
gas y requiere tratamiento de
lodo; requiere pretratamiento
de alimentación.
Similares los
costos de capital
a la oxidación
química con
ozono, pero los
costes de
explotación
menor
Fuente: (New Logic, 2015)
Las aguas de producción de este tipo de industrias, se consideran un
residuo que generan un costo para su tratamiento y posterior descarga o
almacenamiento. (Arthur et. al.), describe algunas opciones para la
disposición final de estas aguas, como se indican a continuación:
Inyección: Reinyectar el agua que se produce al mismo pozo,
previamente cumpliendo con una serie de parámetros de calidad
Descarga: Una vez tratada el agua producida, se procede a la
descarga según regulación ambiental local
Reúso: Una vez tratada el agua, esta podrá ser utilizada en otro
tipo de procesos o actividades dentro de la misma empresa
43
Uso interno: Alcanzando una calidad óptima, estas aguas podrían
ser utilizadas para muchos usos beneficiosos como irrigación,
restauración de pastizales, limpieza de equipos y otros materiales
dentro de la misma industria.
Tratamiento en Tierra vs. Alta mar
En las instalaciones en tierra, el tratamiento de agua puede ser
intermitente, permitiendo el tratamiento en lote y la recirculación. En alta
mar, el tratamiento del agua debe depender de los equipos, tales como
los precipitadores electrostáticos, separadores de placas, unidades de
flote de gas, centrifugadoras, hidrociclones, filtros de membranas, y
examinar rápidamente los montones para obtener tanto petróleo como
sea posible fuera del agua.
En plataformas mar adentro, no existe ni espacio ni tiempo para
permitir que el agua tratada se encuentre por días en estanques, donde el
petróleo o gas puede ser examinado rápidamente por completo y tratado.
Algunas instalaciones en alta mar dependen del tratamiento del agua
flotante por los buques, conocido como los buques de almacenamiento y
descarga (New Logic, 2015).
(Jacobs, et al., 1992) Indica que las aguas producidas provenientes
de plataformas de Gas Natural offshore son 10 veces más tóxicas que las
provenientes de descargas de plataformas de petróleo offshore; sin
embargo, la cantidad descargada es menor, por lo que el impacto es
relativamente menos significativo.
44
2.5.3 Procesos y Tecnologías utilizadas para el tratamiento de
aguas con alta carga orgánica.
Entre las metodologías físicas, químicas y biológicas, separadas o
combinadas publicadas aplicables para tratar aguas con altos contenidos
orgánicos, y características muy parecidas a las de la muestra objeto del
presente estudio, describimos las siguientes:
Proceso Oxidación Húmeda con Peróxido de Hidrógeno (OHP)
La eliminación de residuos a través del método OHP (Oxidación
Húmeda con Peróxido de Hidrógeno) es relativamente reciente. Se basa
en la reacción de Fenton. Para que el proceso resulte efectivo es
necesario calentar a temperaturas superiores a los 100 ºC. El sistema
debe disponer de un intercambiador de calor que se encarga de dicha
tarea. Los contaminantes son destruidos (no separados y concentrados)
mediante el uso del reactivo OHP; el cual se basa en agua oxigenada
debidamente activada, que es el punto clave del éxito del proceso. El
diagrama del proceso OHP se puede observar en la Figura 14:
FIGURA 14: DIAGRAMA DEL PROCESO OHP
Fuente: (Barrantes, Moreno, Lara, & Jurado, 2008)
45
El procedimiento de aplicación es el siguiente:
1 El agua influente entra en un depósito donde se homogeneiza y se
acidifica hasta los 2,5 - 3 de pH.
2 El influente se pone en las condiciones de reacción de presión (2 atm)
y temperatura (115 – 120 ºC), mediante un intercambiador de calor
que puede ser de placas de titanio o de grafito.
3 Se le añade el reactivo OHP con el catalizador.
4 Se introduce en el reactor de acero vitrificado, teniendo un tiempo de
retención medio de 60 minutos.
5 A la salida del reactor hay que enfriar (otro intercambiador), que sirve
para precalentar el influente al reactor (en este punto tenemos
recuperación energética).
6 A la salida de este intercambiador hay que neutralizar, precipitar y
separar las sales de catalizador (es un proceso físico - químico
convencional).
Reactor Batch Secuencial con el uso de Ultrasonidos (SBR)
La sonólisis consiste en dirigir ondas de ultrasonido a las aguas
residuales, durante este proceso se produce una conversión adiabática de
las moléculas en fase líquida a fase gaseosa mediante la oscilación, que
son presiones creadas por la irradiación de ultrasonido de alta frecuencia
(30 kHz).
Los compuestos disueltos de la solución difusa se expanden a través
de las burbujas hasta que alcanzan un tamaño crítico y ocurre una re-
condensación rápida o colapso de burbujas.
46
Esto crea un pequeño vacío conocido como burbuja de cavitación.
Que rodean las moléculas de agua se precipitan para rellenar estas
cavidades y contraer con mucha fuerza. Este colapso origina una alta
temperatura, alrededor de 2000 a 5000 K, y una presión muy alta de
alrededor de 1,000 atm de presión.
Los resultados experimentales de (Rasheed & Muthukumar, 2010)
para una industria petroquímica con un DQO inicial de 40,000 ppm
mostraron una reducción de 23.33% luego de 30 min utilizando
ultrasonido como pre tratamiento.
Luego utilizaron un tratamiento biológico, aeróbico, anóxico y anaeróbico
con un tiempo total de 20 h, dando como resultados una reducción de la
DQO en 80% (Ver Figura 15).
FIGURA 15: REMOCIÓN DE DQO CON EL USO DE SBR
Fuente: (Rasheed & Muthukumar, 2010)
47
Biorreactor de Membranas Sumergidas BIOSEP®
Esta tecnología combina en una misma unidad el tanque de aireación
y un sistema de membranas agrupadas por módulos y ubicadas
verticalmente (Ver Figura 16). Estos módulos pueden ser directamente
sumergidos en el tanque biológico o en un tanque separado. (VEOLIA,
2016).
FIGURA 16: BIORREACTOR BIOSEP ®
Fuente: VEOLIA Technologies
Una de las mayores ventajas de este sistema es la eliminación de
aproximadamente el 80% de la DQO; además de ser un sistema muy
compacto (Ver Figura 17). (VEOLIA, 2016).
FIGURA 17: LÍNEA DE TRATAMIENTO CONVENCIONAL VS BIOSEP
Fuente: VEOLIA Technologies
48
BIOBED ® Advanced
Es una tecnología que combina la estabilidad, alto rendimiento y
fiabilidad de los sistemas UASB1 (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) con
el reducido espacio de implantación y efectividad de los sistemas EGSB
(Expanded Granular Sludge Blanket) (Ver Figura 18).
FIGURA 18: REACTOR BIOBED ® ADVANCED
Fuente: VEOLIA Technologies
Entre las características principales están:
Capacidad de tratamiento para alta carga orgánica (10 - 35 kg
DQO/m3/d).
Capacidad de eliminación de hasta un 98% de la DQO.
Diseño compacto, con reducido espacio de implantación y menor
altura que un EGSB.
Reactor completamente cerrado, que minimiza las emisiones.
1 Biorreactor tubular anaerobio que operan en régimen continuo y en flujo ascendente, es decir, el afluente entra por la parte inferior del reactor, atraviesa todo el perfil longitudinal, y sale por la parte superior.
49
Excelente calidad de la biomasa, que se mantiene en el reactor.
No hay costes de gestión de fangos, optimización del consumo de
productos químicos, bajo consumo energético, etc.
Principio de Funcionamiento:
La primera etapa consiste en el acondicionamiento del afluente (ajuste
pH y temperatura, dosificación de nutrientes y mezcla con agua tratada
recirculada) para alcanzar el nivel de crecimiento óptimo de la biomasa
anaeróbica. A continuación, el agua residual es bombeada al reactor, que
cuenta con un sistema para realizar una distribución uniforme del afluente
por toda la superficie del reactor de lecho de biomasa granular
anaeróbica, donde tiene lugar la conversión biológica de la DQO en
biogás. El biogás se recoge y se transporta a un tratamiento posterior,
donde bajo condiciones controladas puede ser quemado o utilizado como
fuente de energía, permitiendo así la valorización energética de las aguas
residuales.
Memthane ®
Esta tecnología ha sido específicamente desarrollada para el
tratamiento de efluentes con alto contenido en sólidos en suspensión y
alta carga (DQO 15.000 - 250.000 ppm)
Entre las características principales están:
50
Tratamiento eficiente de afluentes con sólidos en suspensión y alta
carga orgánica (15.000 - 250.000 ppm).
Capacidad de eliminación de hasta un 98% de la DQO.
Reducción de los costes de operación en comparación con procesos
convencionales.
Reducción de la huella de carbono.
Gracias a su diseño compacto, este sistema requiere reducido espacio de
implantación que puede llegar a ser incluso de hasta 16 veces menor en
comparación con sistema de tratamiento aerobios tradicionales (Ver
Figura 19).
FIGURA 19: SISTEMA DE TRATAMIENTO MEMTHANE ®
Actiflo ®
Es el proceso más avanzado de decantación estabilizada para la
clarificación de agua. Utiliza una micro arena como precursor para la
formación de flóculos, hecho que permite mayores velocidades de
decantación (Figura 20).
Fuente: VEOLIA Technologies
51
Los flóculos que se forman en este proceso tienen unas
características únicas que permiten el diseño de un proceso con alta
velocidad de decantación y corto tiempo de retención. El resultado es un
proceso muy compacto, que requiere hasta 5 veces menos espacio de
implantación que un decantador tradicional o una flotación por aire
disuelto (DAF) y hasta 50 veces menos que un sistema de clarificación
convencional.
FIGURA 20: SISTEMA DE TRATAMIENTO ACTIFLO ®
Fuente: VEOLIA Technologies
Esta tecnología consigue una eliminación de hasta un 99% en sólidos
en suspensión, materia coloidal, fósforo, metales pesados y coliformes
fecales. La tasa de eliminación de DQO y DBO alcanza valores de hasta
un 80%. (VEOLIA, 2016).
52
2.6 Evaluación de las Alternativas de Tratamientos
La efectividad y rendimiento de las tecnologías de tratamiento pueden
ser analizadas de acuerdo a una metodología desarrollada por (J. D.
Arthur, B. G. Langhus, & C. Patel, 2005). Cada valor deberá ser evaluado
con un criterio técnico basado en experiencias y juicio razonable.
Valor 1.- Efectividad de remoción para contaminantes específicos: Se
puede considerar la efectividad de remoción porcentual y categorizar en 5
niveles, para cuantificar este valor.
Remoción del contaminante, % Valoración
>95 5
90 – 95 4
75 – 90 3
50 – 75 2
< 50 1
Valor 2.- Consumo de recursos para alcanzar la remoción deseada: Se
puede analizar los criterios en uso de esfuerzos, costos, energía, recursos
naturales, etc. Podemos categorizar este valor, como indica la siguiente
tabla.
Nivel de consumo de recursos Valoración
Bajo 5
Moderadamente bajo 4
Moderado 3
Alto 2
Muy Alto 1
53
Valor 3.- Requerimiento de pre/post tratamiento: La mayoría de las
tecnologías de tratamiento requieren de pre- o post- tratamientos para
mejorar la eficiencia, alcanzar una mejor calidad, o manejar sub
productos, etc. Se pueden categorizar de la siguiente forma:
Requerimientos Pre/Post tratamientos Valoración
Básico: Enfriamiento, calefacción, sedimentación, etc.
5
Primarios: Ajuste de pH, adición de químicos, desengrasado, remoción de solidos disueltos, etc.
4
Secundarios: Remoción de hidrocarburos y gas, tratamiento biológico, desinfección, etc.
3
Moderado: Regeneración, prevención de incrustaciones, micro o nano filtración a baja
presión, ósmosis inversa, etc. 2
Significativo: Filtración con alta presión, ósmosis inversa, etc.
1
Valor 4.- Eficacia del tratamiento: Este factor analiza el grado de eficacia
de la tecnología a ser utilizada:
Factor de Eficacia Valoración
Agua de entrada impulsada por la gravedad, sin partes móviles, facilidad de que no sean
propensas a las incrustaciones, el mantenimiento por programación o advertencia automatizada.
4
Ciclos de bombeo automatizados simples y pocos ajustes necesarios
3
Ciclos de bombeo automatizados complejos necesitando ajustes y reparaciones
2
Operador in situ todo el tiempo realizando ajustes y reparaciones durante el proceso
1
Valor 5.- Movilidad de la unidad de tratamiento: Este factor analiza la
facilidad de la tecnología para desplazarse de un lugar a otro, puede ser
categorizada de la siguiente forma:
54
Movilidad de la tecnología de tratamiento Valoración
Completamente móvil 2
Parcialmente móvil 1.5
Inmóvil 1
Valor 6.- Nivel de contaminantes en el afluente del agua de producción:
La calidad del afluente también puede contribuir al rendimiento general de
las tecnologías de tratamiento:
Nivel de contaminantes Valoración
Bajo: sólidos suspendidos, moderada concentración de aceites dispersos, bajo nivel de
dureza, fácil remoción de gases 5
Medio: Amoniaco, boro, los iones de dureza, gases disueltos, partículas finas del suelo, iones
metálicos, etc. TDS: 5.000 – 10.000 ppm
COT, TPH: > 30 – 100 ppm
4
Alto: Sulfuro de hidrógeno, metales pesados, iones débiles, sales monovalentes, rastrear
compuestos orgánicos solubles etc. TDS: > 10.000 – 35.000 ppm
COT, TPH: > 100 ppm
3
Luego de evaluar cada criterio, la fórmula a continuación describe la
valoración general para la tecnología de tratamiento que se vaya a
seleccionar; donde el valor más alto será considerado como mejor opción
en rendimiento, economía y flexibilidad.
Valoración General =(valor 1 + valor 2 + valor 3 + valor 4 + valor 5)
valor 6
55
CAPÍTULO 3
Metodología y Desarrollo Experimental
3.1 Métodos y Técnicas
Para determinar los valores y concentraciones de los parámetros
determinados, se aplicaron los métodos establecidos en el manual
“Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater”, en su
más reciente edición; y en el Manual de Análisis de Agua (2da edición en
español) de HACH Company. Además, se consideran las siguientes
Normas del Instituto Ecuatoriano de Normalización (INEN):
Norma Técnica Ecuatoriana NTE INEN 2169:98. Agua: Calidad del
agua, muestreo, manejo y conservación de muestras.
Norma Técnica Ecuatoriana NTE INEN 2176:98. Agua: Calidad del
agua, muestreo, técnicas de muestreo.
3.2 Caracterización de la Muestra
Para poder trabajar con una muestra representativa, se tomaron
alícuotas de 10 litros por día, durante siete días, a fin de obtener una
muestra compuesta y medir los parámetros necesarios. Cada una de
estas fue almacenada en refrigeración hasta el octavo día cuando se
realizaron las pruebas respectivas.
56
Los análisis realizados a la muestra para su caracterización se
realizaron en el Laboratorio de Tratamiento de Aguas & Medio Ambiente
de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de Guayaquil, y en
el Laboratorio Inspectorate del Ecuador S.A., ambos acreditados ante el
Servicio de Acreditación Ecuatoriana (SAE) (Ver Anexos).
TABLA 10: CARACTERIZACIÓN INICIAL DE LA MUESTRA
Caracterización del Agua de Proceso de la Planta de Gas Natural
Parámetro Expresado
en Unidad
Resultados del Análisis
pH pH - 5,85
Temperatura °C °C 25
Nitrógeno Total NH2 mg/l 7
Hidrocarburos Totales TPH mg/l 6,36
Demanda Química de Oxígeno
DQO mg/l 6562
Demanda Bioquímica de Oxígeno
DBO5 mg/l 2200
Sólidos Suspendidos Totales SST mg/l 10
Sólidos Sedimentables SS ml/l 100
Turbiedad NTU uS 1980
Color UC - 18300
Bario Ba mg/l 1,23
Cromo Cr mg/l 0,01
Plomo Pb mg/l 0,006
Vanadio Va mg/l 0,02
Aceites y Grasas - mg/l 10,8
Nitritos NO2 mg/l 0,016
Nitratos NO3 mg/l 2,2
Fosfatos PO3 mg/l 0,14
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
De acuerdo a la caracterización de la muestra (Tabla 10), el agua
presentó una coloración gris, con fuertes olores característicos por la
presencia de hidrocarburos.
57
El resultado del pH es de 5.85, lo que indica características de un
agua ácida, debido a los procesos por los que atraviesa previa a la
producción final del Gas Natural, una temperatura de 25°C, ambos
parámetros medidos en el momento de tomar la muestra (Figura 21), tal
como indican los procedimientos del manual “Standard Methods for the
Examination of Water and Wastewater”, en su más reciente edición; y en
el Manual de Análisis de Agua (2da edición en español).
FIGURA 21: TOMA DE MUESTRA IN SITU
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
La Demanda Química de Oxígeno (DQO) muestra un valor de 6562
mg/L, una Demanda Biológica de Oxígeno (DBO) de 2200, lo que nos da
una relación DBO/DQO de 0,33 que, de acuerdo a la bibliografía, esta
agua tendría características parcialmente biodegradables.
58
3.3 Procedimiento Experimental
Se evaluó los procesos y tecnologías utilizadas para el tratamiento de
aguas con alta carga orgánica (Ver Tabla 11), descritos en el apartado
2.5.3, utilizando la metodología descrita por (J. D. Arthur, B. G. Langhus,
& C. Patel, 2005) detallada en el capítulo 2.
TABLA 11: EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS DE TRATAMIENTO
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
Tratamiento Principio Efectividad de remoción para contaminantes
Consumo de
recursos
Requerimiento de pre/post tratamiento
Eficacia del
tratamiento
Movilidad de la unidad de tratamiento
Nivel de contaminantes en el afluente
Valoración del
Tratamiento
Oxidación Húmeda con Peróxido (OHP)
Tratamiento Fenton – Oxidación Avanzada
4 4 4 3 1 3 5,333
Reactor Batch Secuencial con el uso de Ultrasonidos (SBR)
Oxidación Avanzada 3 2 5 3 1,5 3 4,833
BIOSEP® Filtros de
Membranas 3 3 4 3 1 3 4,667
BIOBED® Advanced
Filtros de Membranas
5 2 4 3 1 3 5,000
Memthane ® Tratamiento Anaeróbico
5 1 5 3 1,5 3 5,167
Actiflo ® Coagulació
n - Floculación
3 3 5 3 2 3 5,333
59
GRÁFICA 2: EVALUACIÓN DE TECNOLOGÍAS PARA TRATAMIENTO DE AGUAS DE FORMACIÓN
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
La tecnología Actiflo® que se basa en un proceso de coagulación –
floculación muestra uno de los mejores resultados (Ver Gráfica 2), por lo
que se procede a realizar pruebas de laboratorio utilizando diferentes
polímeros, y complementar con un oxidante para evaluar el rendimiento
en cuanto a la reducción de la DQO.
(Rodríguez V., 2015) explica que los tratamientos aerobios muestran
excelentes resultados para la degradación de la materia orgánica; ya que
la muestra presenta una relación DBO/DQO igual a 0,33 (Ver Tabla 10) y
de acuerdo a (Sirtori, et al., 2009), esta agua tendría un contenido
parcialmente biodegradable; así que se aplicará un tratamiento de lodos
activados para monitorear su actividad con respecto a la degradación de
materia orgánica y reducción de la DQO.
Los tratamientos para evaluar la reducción de la DQO y determinar
cuál presenta mejores resultados, se describen a continuación.
4,200
4,400
4,600
4,800
5,000
5,200
5,400
OxidaciónHúmeda con
Peróxido (OHP)
Reactor BatchSecuencial con
el uso deUltrasonidos
(SBR)
BIOSEP® BIOBED®Advanced
Memthane ® Actiflo ®
60
Tratamiento AQUA HQ – 01
A continuación, presentamos el diagrama de flujo de este tratamiento
(Ver Figura 22).
FIGURA 22: DIAGRAMA DE FLUJO TRATAMIENTO EXPERIMENTAL 1
Agua Cruda
Homogenización
Ajuste de pH
Cal
Ácido Sulfúrico
Hidróxido de Sodio
Clarificación
Coagulante
Floculante
Filtración
Oxidación
Sedimentación
Agua Tratada
Lodos
Aireación
Aireación
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
Se toma una cantidad de 20 litros del volumen total de la muestra
almacenada en refrigeración (60 litros), para realizar pruebas en el JAR
TEST de los laboratorios (Ver Figura 23); donde se dividirán en alícuotas
de un litro por prueba, con un total de cinco ensayos por coagulantes para
la experimentación.
61
FIGURA 23: MUESTRA DE AGUA CRUDA 1
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
El procedimiento se fundamenta en la aplicación del proceso de
coagulación – floculación, además en las pruebas de varios oxidantes, a
fin de establecer el mejor resultado. Se busca la clarificación del agua por
medio de la separación de sólidos suspendidos, eliminando partículas
coloidales por medio de la desestabilización, se experimenta con
diferentes coagulantes y un floculante aniónico para determinar sus
rendimientos.
Para el calcular la reducción de parámetros se utiliza la fórmula:
% 𝑅𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 =(𝐷𝑄𝑂 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙) − (𝐷𝑄𝑂 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙)
(𝐷𝑄𝑂 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙)× 100
62
Los coagulantes a usar estarán en estado sólido y son:
Policloruro de Aluminio (PAC)
Sulfato de Aluminio
Cloruro Férrico
Sulfato Ferroso
Los oxidantes a usar son:
Hipoclorito de Sodio
Hipoclorito de Calcio
Peróxido de Hidrógeno
63
Tratamiento AQUA HQ – 02
La figura 24 muestra el diagrama de bloque en el cual se detalla el
procedimiento a seguir de este tratamiento.
FIGURA 24: DIAGRAMA DE FLUJO TRATAMIENTO EXPERIMENTAL 2
Agua Cruda
Homogenización
Ajuste de pH
Cal
Ácido Sulfúrico
Hidróxido de Sodio
Aclimatación
Nutrientes
Enzimas
Filtración
Oxidación
Sedimentación
Agua Tratada
Lodos
Aireación
Aireación
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
Se toma una cantidad de 20 litros del volumen total de la muestra
almacenada en refrigeración (60 litros), para realizar pruebas en los
laboratorios (Ver Figura 25); donde se dividirán en alícuotas de un litro por
prueba, con un total de cinco ensayos por coagulantes para la
experimentación.
64
FIGURA 25: MUESTRA DE AGUA CRUDA 2
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
Este tratamiento se basa en el aprovechamiento de los lodos
presentes en el agua cruda, y el uso de un catalizador enzimático (Qualy
Bioenzymar), el cual acelera la acción de la biomasa de sistemas de
tratamiento de aguas residuales, para la degradación de aceites,
proteínas, almidones, azucares; además se utiliza Cal (Óxido de Calcio)
para mantener un pH óptimo durante el proceso, hasta alcanzar un tiempo
de retención donde la materia orgánica haya sido suficientemente
degradada.
65
3.3.1 Equipos, Materiales y Reactivos
Durante las pruebas experimentales se utilizaron los siguientes
materiales:
Vasos de precipitación 1000 ml, 500 ml.
Probetas 1000 ml, 100 ml, 50 ml.
Pipetas 10 ml, 5 ml.
Termómetro
Cápsula de porcelana
Papel filtro
Equipos de protección personal (guantes, mascarillas, gafas)
Agitadores
Cono Inhoff
Durante las pruebas experimentales se utilizaron los siguientes equipos.
Test de Jarras
pH – metro
Colorímetro HACH
Balanza
Aireadores
Durante las pruebas experimentales se utilizaron los siguientes reactivos.
Agua
Viales para medición de DQO HACH rango de 20 – 1500 ppm.
66
3.4 Resultados
A continuación, se detallan los resultados alcanzados con los tratamientos
experimentados.
Tratamiento AQUA HQ – 01
Pruebas con Policloruro de Aluminio (PAC)
TABLA 12: PRUEBAS DE CLARIFICACIÓN CON PAC
Pruebas con Policloruro de Aluminio
Velocidad Rápida: 250 - 300 RPM
Velocidad Lenta: 20 - 30 RPM
No. Prueba
Dosis del Coagulante
(mg/l)
Dosis del Floculante
(mg/l)
Tiempo Formación
del Floc (min)
Índice de Willcomb
Turbiedad Final (NTU)
SS Final (ml/l)
Reducción DQO (%)
1 5 10 2' 55'' 6 220 44 22%
2 7 10 2' 34'' 7 170 38 36%
3 10 10 2' 20'' 9 30 24 47%
4 15 10 2' 26'' 8 90 28 30%
5 20 10 2' 44'' 7 120 32 26%
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
Aplicando Policloruro de Aluminio (PAC) en una dosis de 10 mg/l
(estado sólido), con 10 mg/l del floculante aniónico, se obtuvo resultados
visibles muy buenos, con un índice de Willcomb de 9, utilizando una
velocidad de 260 RPM, un tiempo de formación del Floc de 2 minutos
aproximadamente, luego se disminuyó la velocidad hasta 25 RPM por 10
min, dejando un tiempo de sedimentación de 15 min. Los resultados
indican una reducción de la DQO del 47% y turbiedad del 98% (Ver Tabla
12).
67
GRÁFICA 3: RESULTADOS DE CLARIFICACIÓN CON PAC
Fuente: Tabla 12
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
Las pruebas con 7, 10 y 15 mg/l de Policloruro de Aluminio fueron
los mejores ensayos (Gráfica 3) con resultados en la remoción de la DQO
de 36%, 47% y 30%, y reducción de la turbidez de 91%, 98% y 95%
respectivamente (Figura 26).
FIGURA 26: CLARIFICACIÓN CON PAC
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
22%
36%
47%
30%
26%
Reduccíón de la DQO según dosis de coagulante
5 7 10 15 20
0
50
100
150
200
250
5 6 7 8 9 1011121314151617181920
Turb
ied
ad (
NTU
)
Dosis del Coagulante (mg/l)
Reducción de la Turbidez según dosis de coagulante
2 3 4
68
Pruebas con Sulfato de Aluminio
TABLA 13: PRUEBAS DE CLARIFICACIÓN CON SULFATO DE ALUMINIO
Pruebas con Sulfato de Aluminio
Velocidad Rápida: 250 - 300 RPM
Velocidad Lenta: 20 - 30 RPM
No. Prueba
Dosis del Coagulante
(mg/l)
Dosis del Floculante
(mg/l)
Tiempo Formación
del Floc (min)
Índice de Willcomb
Turbiedad Final
(NTU)
SS Final (ml/l)
Reducción DQO (%)
1 5 10 1' 55'' 8 110 36 31%
2 7 10 2' 34'' 7 96 31 33%
3 10 10 2' 15'' 9 70 28 37%
4 15 10 2' 18'' 8 80 30 32%
5 20 10 2' 24'' 8 150 35 28%
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
Aplicando Sulfato de Aluminio en una dosis de 10 mg/l (estado sólido),
con 10 mg/l del floculante aniónico, se obtuvo resultados visibles muy
buenos, un índice de Willcomb de 9, utilizando una velocidad de 270
RPM, un tiempo de formación del Floc de 2 minutos aproximadamente,
luego se disminuyó la velocidad hasta 20 RPM por 10 min, dejando un
tiempo de sedimentación de 15 min. Los resultados indican una reducción
de la DQO del 37% y turbiedad del 92% (Ver Tabla 13).
69
GRÁFICA 4: RESULTADOS DE LA CLARIFICACIÓN CON SULFATO DE
ALUMINIO
Fuente: Tabla 13
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
Las pruebas con 7, 10 y 15 mg/l de Sulfato de Aluminio fueron los
mejores ensayos (Gráfica 4) con resultados en la remoción de la DQO de
33%, 37% y 32%, y reducción de la turbidez de 95%, 92% y 96%
respectivamente (Figura 27).
FIGURA 27: CLARIFICACIÓN CON SULFATO DE ALUMINIO
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
31%
33%
37%
32%
28%
Reduccíón de la DQO según dosis de coagulante
5 7 10 15 20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
5 6 7 8 9 1011121314151617181920
Turb
ied
ad (
NTU
)
Dosis del Coagulante (mg/l)
Reducción de la Turbidez según dosis de coagulante
2 3 4
70
Pruebas con Cloruro Férrico
TABLA 14: PRUEBAS DE CLARIFICACIÓN CON CLORURO FÉRRICO
Pruebas con Cloruro Férrico
Velocidad Rápida: 250 - 300 RPM
Velocidad Lenta: 20 - 30 RPM
No. Prueba
Dosis del Coagulante
(mg/l)
Dosis del Floculante
(mg/l)
Tiempo Formación
del Floc (min)
Índice de Willcomb
Turbiedad Final (NTU)
SS Final (ml/l)
Reducción DQO (%)
1 5 10 2' 35'' 5 390 56 14%
2 7 10 2' 41'' 5 280 48 16%
3 10 10 2' 34'' 7 260 46 17%
4 15 10 2' 40'' 6 220 45 18%
5 20 10 2' 22'' 7 210 39 21%
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
Aplicando Cloruro Férrico en una dosis de 20 mg/l (estado sólido),
con 10 mg/l del floculante aniónico, se obtuvo resultados visibles buenos,
un índice de Willcomb de 7, utilizando una velocidad de 260 RPM, un
tiempo de formación del Floc de 2 minutos aproximadamente, luego se
disminuyó la velocidad hasta 22 RPM por 10 min, dejando un tiempo de
sedimentación de 15 min. Los resultados indican una reducción de la
DQO del 21% y turbiedad del 89% (Tabla 14).
71
GRÁFICA 5: RESULTADOS DE LA CLARIFICACIÓN CON
CLORURO FÉRRICO
Fuente: Tabla 14
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
Las pruebas con 10, 15 y 20 mg/L de Cloruro Férrico fueron los
mejores ensayos (Gráfica 5) con resultados en la remoción de la DQO de
17%, 18% y 21%, y reducción de la turbidez de 87%, 88% y 89%
respectivamente (Figura 28).
FIGURA 28: CLARIFICACIÓN CON CLORURO FÉRRICO
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
14%
16%
17%
18%
21%
Reduccíón de la DQO según dosis de coagulante
5 7 10 15 20
0
100
200
300
400
500
5 6 7 8 9 1011121314151617181920
Turb
ied
ad (
NTU
)
Dosis del Coagulante (mg/l)
Reducción de la Turbidez según dosis de coagulante
3 4 5
72
Pruebas con Cloruro Férrico
TABLA 15: PRUEBAS DE CLARIFICACIÓN CON SULFATO FERROSO
Pruebas con Sulfato Ferroso
Velocidad Rápida: 250 - 300 RPM
Velocidad Lenta: 20 - 30 RPM
No. Prueba
Dosis del Coagulante
(mg/l)
Dosis del Floculante
(mg/l)
Tiempo Formación
del Floc (min)
Índice de Willcomb
Turbiedad Final
(NTU)
SS Final (ml/l)
Reducción DQO (%)
1 5 10 3' 15'' 5 480 60 12%
2 7 10 2' 56'' 6 410 51 14%
3 10 10 2' 44'' 6 340 45 15%
4 15 10 2' 28'' 7 320 48 16%
5 20 10 2' 25'' 5 300 38 18%
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
Aplicando Sulfato Ferroso en una dosis de 10 mg/l (estado sólido),
con 10 mg/l del floculante aniónico, se obtuvo resultados visibles muy
buenos, un índice de Willcomb de 9, utilizando una velocidad de 270
RPM, un tiempo de formación del Floc de 2 minutos aproximadamente,
luego se disminuyó la velocidad hasta 20 RPM por 10 min, dejando un
tiempo de sedimentación de 15 min. Los resultados indican una reducción
de la DQO del 18% y turbiedad del 85% (Tabla 15).
73
GRÁFICA 6: RESULTADOS DE LA CLARIFICACIÓN CON
SULFATO FERROSO
Fuente: Tabla 15
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
Las pruebas con 10, 15 y 20 mg/l de Sulfato Ferroso fueron los
mejores ensayos (Gráfica 6) con resultados en la remoción de la DQO de
15%, 16% y 18%, y reducción de la turbidez de 83%, 83% y 85%
respectivamente (Figura 29).
FIGURA 29: CLARIFICACIÓN CON SULFATO FERROSO
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
12%
14%
15%
16%
18%
Reduccíón de la DQO según dosis de coagulante
5 7 10 15 20
0
100
200
300
400
500
600
5 6 7 8 9 1011121314151617181920
Turb
ied
ad (
NTU
)
Dosis del Coagulante (mg/l)
Reducción de la Turbidez según dosis de coagulante
3 4 5
74
GRÁFICA 7: RESULTADOS DEL PROCESO 1
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
La Gráfica 7 muestra los mejores resultados con cada polímero
utilizado. Al final obtuvimos una muestra clarificada y filtrada (Ver Figura
30) con un valor de DQO de 3477 mg/l, que representa un rendimiento del
47%.
FIGURA 30: AGUA CLARIFICADA
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
Policlorurode
Aluminio(PAC)
Sulfato deAlumino
CloruroFérrico
SulfatoFerroso
DQO Final (mg/L) 3477,86 4134,06 5183,98 5380,84
DQO Inicial (mg/L) 6562 6562 6562 6562
3477,86
4134,06
5183,98 5380,84
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
DQ
O (
mg/
l)
Reducción DQO
75
Se tomó el mejor resultado del proceso anterior y se procede a la
experimentación con diferentes oxidantes para evaluar sus rendimientos
con 3 variaciones, detallado en la tabla 16.
TABLA 16: PRUEBAS CON OXIDANTES
Pruebas con Oxidantes
No. de Prueba
Hipoclorito de Sodio
(ml)
Hipoclorito de Calcio
(ml)
Peróxido de
Hidrógeno (ml)
Tiempo de
Reacción (min)
Tiempo de
Aireación
Reducción de DQO
(%) Observaciones
1 x 5 10 30 3 días 26% Papel filtro
2 5 x 15 30 3 días 45% Carbón Activado
3 5 x 12 30 3 días 28% Carbón Activado
Fuente: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
En la prueba No. 1 utilizando 5 ml de hipoclorito de calcio y 10 ml de
peróxido de hidrógeno se evidenció una reducción de la DQO en 26%
luego de haber utilizado papel filtro para remover algún sólido remanente.
El proceso se lo dejó con 3 días de reposo (Tabla 16).
En la prueba No. 2 utilizando 5 ml de hipoclorito de sodio (10%) y 15
ml de peróxido de hidrógeno se evidenció una reducción de la DQO en
45% dejando en reposo el agua con aireación y carbón activado durante 3
días (Tabla 16).
76
En la prueba No. 3 utilizando 5 ml de hipoclorito de calcio y 12 ml de
peróxido de hidrógeno se evidenció una reducción de la DQO en 28%
luego de haber utilizado papel filtro para remover algún sólido remanente.
El proceso se lo dejó con 3 días de reposo (Tabla 16).
GRÁFICA 8: EVALUACIÓN DEL USO DE OXIDANTES
Fuente: Tabla 16
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
La prueba 2 indica el mejor resultado respecto a la reducción de la
DQO (Ver Gráfica 8). Por lo tanto, combinando el proceso coagulación -
floculación con el uso de oxidante peróxido de hidrógeno al 50%,
hipoclorito de sodio al 10% y filtración con carbón activado implementando
aireación prolongada, se alcanza una reducción de la DQO total de 71%
en un tiempo de 3 días. La muestra final nos queda con una DQO de
1912 mg/L (Figura 31).
26%
45%
28%
0% 10% 20% 30% 40% 50%
1
2
3
Reducción (%) de la DQO
No. de Prueba
77
FIGURA 31: AGUA TRATADA 1
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
Tratamiento AQUA HQ – 02
El agua al inicio tenía un color gris y el olor era demasiado fuerte por
la presencia rastros de hidrocarburos en ella (Figura 32).
FIGURA 32: MUESTRA INICIAL 2
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
Para dar inicio al tratamiento se procedió a neutralizar el agua residual
con cal y se agitó para homogenizarla durante 30 seg.
78
Se dejó dos días en reposo solo con aireación. Se agrega 0,5 g de
nutrientes; se procede a leer la DQO y anotar de cuanto es la reducción
por cada día, así como los demás parámetros de importancia (Tabla 17).
TABLA 17: RESULTADOS DEL PROCESO 2
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
El sexto día se aumentó la dosis de nutrientes a 1 g de fosfatos y 1 g
de urea (Ver Figura 33), se dejó en aireación durante dos días. En el
octavo día se procedió a medir la DQO el valor fue 3478 mg/l, y se agregó
agua cruda después de todos los análisis que se hace diariamente. En el
noveno día se mide la DQO el valor fue 3312 mg/l y después se agrega 1
g de fosfatos y 1 g de urea, y se continúa con la aireación. El décimo
tercer día se mide la DQO cuyo valor fue 3137 mg/l.
Día Observaciones pH Turbiedad Color Nitritos Nitratos Fosfatos DQO DBO ST SST
0 Caracterización 6,3 1980 18300 1140 256 1124 6562 2200 651,67 450,6
1 Se neutralizo con cal 7 2030 18450 1151 264 1133 6234 2435 713,4 464,6
2 Se dejó reposar el agua 8 2075 18525 1166 273 1140 5852 2237 791,37 490,28
3Se agregó 0.5 g fosfato y
Urea8 2120 18275 1176 283 1151 5705 2172 876,1 505,28
4Se observó un leve
cambio de color y olor8 2168 12975 1187 290 1163 5696 2027 945,4 524.45
5Se dejó reposar con
aireación 8 2207 10475 1203 299 1171 4879 1971 1024,2 537,13
6Se agregó 1 g fosfato y
Urea8 2257 7935 1220 307 1181 4431 1882 1120,2 555,82
7Alimentación con agua
cruda8 2302 6595 1245 315 1194 3652 1813 1342,7 566,66
8Observaciones y
anotaciones del agua8 2344 4755 1261 326 1199 3478 1735 1432,5 576,4
9Se agregó 1 g fosfato y
Urea8 2380 3955 1275 338 1210 3312 1651 1510,3 584,35
10Observaciones y
anotaciones del agua8 2407 3505 1293 351 1222 3211 1606 160,06 598,97
13Se agregó 1 g fosfato y
Urea- Catalizador 8 2452 3047 1308 365 1229 3137 1564 1678,48 603,96
14Observaciones y
anotaciones del agua8 2488 2807 1328 374 1241 2974 1452 1764,93 617,62
18Se agregó 1 g fosfato y
Urea 8 2520 2349 1346 385 1254 2777 1274 1831,78 625,73
20Se agregó 1 g fosfato y
Urea - Microburbujas8 2563 1553 1360 397 1261 2477 1109 1980,74 641,94
21 Tratamiento Terciario 8 22 200 1410 415 1323 1400 813 2039,43 256,94
79
FIGURA 33: NUTRIENTES UTILIZADOS
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
El décimo cuarto se mide la DQO y fue 2974 mg/l. no hubo mayor
reducción en comparación al día anterior. Al décimo octavo se lee la DQO
y el valor fue 2777 mg/l, se agrega 1 g de fosfatos y 1 g de urea. El
vigésimo día se mide la DQO y el valor fue 2477 mg/l, llevando en cuenta
la cantidad de nutrientes dosificados (Tabla 18).
TABLA 18: DOSIFICACIÓN DE NUTRIENTES
Tratamiento AQUA HQ - 02
Días Dosificación (g)
Temperatura C Enzima (ml) Observaciones Fosfato Urea
0 x x 26 x Aclimatación
3 0,5 0,5 26 x Cambio de color del
agua(café)
6 1 1 26 x Cambio de color del agua
9 1 1 26 x Tono del agua, café claro
13 x x 26 5 Mínimo el olor
14 x x 26 x No hubo mayores cambios
18 1 1 26 x Mayor formación de lodos
20 1 1 26 x Microburbujas
21 X x 26 x Agua más clara y sin olor
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
80
Finalmente se aplica un tratamiento terciario con peróxido de
hidrógeno, resultando un valor para la DQO de 1400 mg/l, con una
muestra como se ve en la Figura 34.
FIGURA 34: MUESTRA TRATADA 2
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
Los resultados en resumen se detallan en la Gráfica 9, donde
observamos la reducción de cada parámetro. Se evidencia un aumento de
Sólidos Totales (ST) producto de la descomposición de la materia
orgánica presente; estos lodos formados serán retirados al final y deberán
ser dispuestos en un lecho de secado para posteriormente ser enviados a
un gestor ambiental calificado.
81
GRÁFICA 9: RESULTADOS DEL PROCESO 2
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
La Gráfica 10 muestra la variación de la DQO durante el tiempo duró
el tratamiento AQUA HQ – 02.
GRÁFICA 10: REDUCCIÓN DE LA DQO
Elaborado por: (Huilcarema Kevin & Quizhpi Edwin)
pHTurbieda
dColor Nitritos Nitratos Fosfatos DQO DBO ST SST
Muestra final 8 22 200 1410 415 1323 1400 813 2039,43 256,94
Muestra inicial 6,3 1980 18300 1140 256 1124 6562 2200 651,67 450,6
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000m
g/L
62345852 5705 5696
48794431
3652 3478 3312 3211 3137 2974 27772477
1400
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 13 14 18 20 21
DQ
O
Días
DQO
82
3.5 Análisis de los Resultados
Entre los procesos más utilizados para el tratamiento de aguas
provenientes de industrias procesadoras de Gas Natural o que generen
efluentes con características similares, están los tratamientos de
clarificación, los tratamientos biológicos (lodos activados) y oxidación
avanzada (Fenton, Ozonización, Fenton con UV).
De acuerdo a los experimentos realizados, se determinó que todos los
coagulantes evaluados proporcionaron buenos resultados en cuanto a la
remoción de sólidos sedimentables, obteniéndose una eliminación mayor
al 70% y reducción de turbiedad, llegando a valores debajo de los 100
NTU.
Luego de probar varios oxidantes en el tratamiento AQUA HQ – 01 al
agua clarificada, se comprobó una mejora en el proceso para reducir la
carga orgánica presente como Demanda Química de Oxígeno (DQO), con
un total de 71% en 3 días, llegando hasta un valor de 1912 mg/L, siendo
el peróxido de hidrógeno el que presentó mejor eficiencia.
Con el tratamiento AQUA HQ – 02 se alcanzó una remoción de 79%
de la carga orgánica presente como DQO en 21 días, llegando hasta un
valor final de 1400 mg/L.
Se propone continuar el estudio con el tratamiento AQUA HQ – 02 a
fin de optimizar el resultado alcanzado y lograr reducir mayormente el
contaminante objeto del presente estudio.
83
CONCLUSIONES
La caracterización del agua dio como resultados una DQO de 6562
mg/L y DBO de 2200 mg/L, los demás parámetros medidos no
presentan mayores problemas con respecto al cumplimiento de la
norma técnica que rige a las descargas de este tipo de industrias.
La tecnología de Actiflo® desarrollado por VEOLIA Technologies
presentó mayores ventajas teóricas; la cual consigue una
eliminación de hasta un 99% en sólidos en suspensión, materia
coloidal, fósforo, metales pesados y coliformes fecales, y una tasa
de eliminación de DQO y DBO de hasta un 80%.
Aplicando el tratamiento AQUA HQ – 01 se alcanzó un rendimiento
de 71% para remoción de la DQO, el cual se encontraría cercano al
resultado teórico que indica la utilización del proceso Actiflo®.
El tratamiento AQUA HQ – 02 evidenció una remoción de la DQO
del 79%.
Entre los tratamientos experimentados, el AQUA HQ – 02 dio el
mejor resultado en cuanto a la remoción de la DQO, siendo el
proceso propuesto por este proyecto.
84
RECOMENDACIONES
Se recomienda realizar un estudio estadístico de monitoreo al
cuerpo receptor en un punto aguas arriba a la entrada del efluente
para conocer el DQO natural que este presenta.
El agua tratada podría ser aprovechada para limpieza de los equipos
operados en las instalaciones de la empresa.
Se recomienda realizar más pruebas experimentales del tratamiento
AQUA HQ – 02 a nivel de planta piloto, ya que presentó el mejor
resultado de acuerdo a los ensayos realizados en laboratorio para
reducir la Demanda Química de Oxígeno.
De lograr un acuerdo interinstitucional con empresas cercanas que
generen efluentes con una DQO menor, se recomienda realizar una
dilución controlada de aguas residuales con el fin de mejorar el
rendimiento del tratamiento utilizado.
Se observó que un exceso de peróxido de hidrógeno perjudica la
reacción; por lo tanto, la dosificación será de acuerdo a la carga
contaminante que presente el agua en el momento del tratamiento,
por lo que se recomienda un test de Jarra por cada lote de agua a
ser tratada.
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Universidad Estatal de Nuevo México.
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ANEXOS
ANEXO 1: MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS
DigestorViales Hach Rango
20 - 1500
Balanza Electrónica
Cápsula con Reverbero
Colorímetro DR 890
Equipos para pruebas de lodos
activados
Medidor de pH Waterprof pH/
CON 10
ANEXO 2: EVIDENCIA FOTOGRÁFICA
EMBARCACIÓN QUE DIRIGE HASTA LA
PLATAFORMA
PLATAFORMA AMISTAD TOMA DE MUESTRA IN SITU
VISITA TÉCNICA UNIDAD DE MEDICION DE GAS NATURAL
TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE
AGUA Y CONDENSADOS
MEDICIÓN DE SÓLIDOS REALIZACIÓN DE PRUEBAS EN
LABORATORIO
ANEXO 3: ANÁLISIS REALIZADOS EN LABORATORIOS
ACREDITADOS
ANEXO 4: MÉTODO 8000. MÉTODO DE DIGESTIÓN DE REACTOR. PARA AGUA, AGUAS RESIDUALES Y AGUA DE MAR.
