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Universidad Tecnológica de Tula-Tepeji. Organismo Descentralizado de la Administración Pública del Estado de Hidalgo
REPRODUCCIÓN DE BIOMASA PARA REMOCIÓN DE FENOL EN AGUA RESIDUAL INDUSTRIAL PROCEDENTE DE LA REFINERIA
MIGUEL HIDALGO.
Proyecto profesional que para obtener el título de:
Ingeniería Ambiental
Presenta:
Mercedes Godínez Pérez
Ing. Rosendo Escamilla Cruz
Asesor industrial
M. en C. Fausto Tovar León
Asesor académico
Tula de Allende, Hidalgo, Abril 2013
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Introducción Contaminación del agua El agua es un recurso natural indispensable para el desarrollo de la vida y, su
disponibilidad ha sido afectada por la contaminación, que se genera por la adición
de materia orgánica, microorganismos, hidrocarburos, desperdicios industriales,
productos utilizados en la agricultura, productos químicos domésticos y desechos
radioactivos, a los ríos y lagos (Lomeli y Tamayo, 2009).
El rápido crecimiento de la industria química y del sector petrolero esta
acompañado del aumento en la generación de residuos, los cuales pueden traer
consecuencias indeseables para el ecosistema y la salud publica. Estos
compuestos pueden permanecer largos periodos de tiempo y muchas veces son
dispuestos de manera indiscriminada en el ambiente dentro de los contaminantes
mas comunes se encuentran los hidrocarburos, los cuales están formados por
carbono e hidrogeno.
El fenol es un compuesto aromático que posee un anillo bencénico en su
estructura el cual le confiere una mayor estabilidad y reactividad química.
Para reutilizar el agua con una mejor calidad, se han implementado plantas de
tratamiento de agua residual para reciclar este valioso recurso natural que es
utilizado en los diversos procesos industriales, residenciales, bienes y servicio, el
problema o consecuencia de estas es la generación de grandes volúmenes de un
subproducto, el cual corresponde a un concentrado de contaminantes diversos
entre químicos, orgánicos y biológicos.
La descarga en el medioambiente de aguas residuales contaminadas con fenol
puede provocar un serio peligro para los seres humanos y las diferentes formas de
vida acuática debido a su naturaleza tóxica. La presencia de compuestos fenólicos
se considera tóxica para algunas formas de vida acuática a partir de 0,05 mg/L (ya
que se trata de compuestos con una elevada demanda de oxígeno) y la ingestión
de un gramo de fenol puede causar consecuencias fatales en los humanos,
afectando especialmente al sistema nervioso. Otra característica especialmente
peligrosa es la capacidad del fenol para combinarse con el cloro contenido en las
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aguas, dando lugar a la formación de cloro fenoles, compuestos altamente tóxicos,
cancerígenos y muy difíciles de eliminar [Rodríguez, 2003].
El uso de microorganismos para la degradación de fenol ha sido muy estudiado,
encontrando en la literatura una gran cantidad de microorganismos con este
potencial. Los procesos aeróbicos para el tratamiento biológico son preferidos, por
su bajo costo y por permitir mineralización completa de la sustancia a degradar.
Antecedentes:
La actual problemática medioambiental relacionada con la escasez y la
contaminación del agua releva la especial importancia de que las aguas residuales
industriales reciban un tratamiento adecuado y eficaz antes de su descarga con el
fin de evitar una serie de daños muy diversos e irreversibles que pueden causar
esta agua sobre el medio receptor desde un punto de vista medioambiental.
El fenol es un compuesto aromático empleado como modelo de referencia en
numerosos estudios. El fenol y sus derivados son compuestos ampliamente
utilizados en gran cantidad de procesos industriales y que habitualmente sirven
como intermedios en la síntesis industrial de productos diversos. Por esta razón,
su presencia en las aguas residuales industriales es muy frecuente. Altas
concentraciones de fenol y sus derivados se han detectado en las aguas
residuales de diferentes industrias químicas como, por ejemplo: petroquímica,
papelera, textil, producción de pinturas o resinas y fabricación de pesticidas o
coque [Bali et al., 2003; Kavitha y Palanivelu, 2004; Kusic et al., 2006a].
En el año 2003, la producción mundial de fenol fue de 7,3 millones de
toneladas. Sobre esta cantidad total, aproximadamente un 37 % se utilizó para la
producción de bisfenol A, compuesto usado especialmente en la producción de
policarbonatos y resinas epoxy. El segundo consumidor fue la producción de
resinas fenólicas, y en tercer lugar, la producción de caprolactano [Ullmann, 2007].
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Los compuestos de tipo fenólico han sido considerados por la EPA como
persistentes, bio-acumulables y tóxicos [Gimeno et al., 2005]. Debido a estas
características, el fenol resulta un compuesto problemático en los tratamientos
biológicos convencionales [De et al., 1999; Poulopoulos et al., 2006] por lo anterior
es de gran importancia la depuración de aguas residuales contaminadas con fenol
encontrar microorganismos aislados que puedan resistir altas concentraciones de
fenol, permitiendo que los procesos puedan ser más efectivos. El uso de cultivos
puros de microorganismos adaptados a la sustancia problema a metabolizar es
una alternativa muy atractiva; para esto, se debe tener en cuenta la adaptación de
células microbianas a altas concentraciones de fenol, La pre adaptación de
microorganismos a compuestos aromáticos como benceno y tolueno ha
incrementado la degradación de fenol confirmándose cambios en membrana
celular, inducción de enzimas intracelulares La aclimatación de bacterias en
diferentes concentraciones de las sustancias a remediar, es un paso importante en
los procesos de tratamiento biológicos, encontrándose la adaptación de
microorganismos en medios mineralizados con concentraciones de fenol entre 300
y 2000 mg/L. La adaptación de Nocardiahydrocarbonoxydans a concentración de
fenol de 500mg/L para su inmovilización y remoción en un reactor de lecho, como
también una aclimatación que varió de 100mg/L a 900mg/L en un tiempo de 15
días buscando una tolerancia limite que fue de 900mg/L con el mismo
microorganismo. Se estableció una aclimatación de Bacillus brevis en medio
mínimo con una concentración de fenol inicial de 500mg/L, y adiciones
incrementales a 750mg/L,1500mg/L y 1750mg/L.
Planteamiento del problema
En la actualidad uno de los mayores problemas ambientales es la presencia de
compuestos toxicos originados por las actividades industriales que afectan
ecosistemas terrestres y acuáticos un grupo de estos son los compuestos
fenolicos que se caracterizan por su fácil movilidad, reactividad y toxicidad
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Las aguas residuales producidas en procesos industriales, dependiendo de su
procedencia, pueden contener gran cantidad de sustancias orgánicas y/o
inorgánicas, en concentraciones que ofrecen peligro para el ambiente. Entre éstas
se encuentran fenoles, comunes en la industria fotográfica, fabricación de pinturas,
explosivos, caucho, productos farmacéuticos y agrícolas, textiles, curtidoras,
papeleras, procesos petroquímicos, refinamiento del petróleo.
Desde el inicio de la operación de la PTAR, se ha tenido el problema de remoción
de fenol debido a las características del agua proveniente de la Refinería “Miguel
Hidalgo”, las cuales no han cumplido con los parámetros de diseño de la planta,
teniendo concentraciones, tan altas de fenol, que el proceso no las puede
remover y causan la muerte de los microorganismos existentes en el sistema
biológico; por lo antes descrito, se ha tenido la necesidad de adquirir
adicionalmente microorganismos capaces de remover este contaminante (bacteria
AM-5000), causando con esto un costo adicional al tratamiento ya establecido.
En base al problema planteado, este trabajo está enfocado a reducir la compra
actual de bacterias AM-5000, mediante la solución de las siguientes interrogantes:
1.- ¿Es posible reproducir en la PATR, la bacteria AM-5000?
2.- ¿Bajo qué condiciones es posible la reproducción de la batería AM 5000?
3.- ¿Es rentable para la PTAR, realizar la reproducción de la bacteria AM-5000?
Justificación:
La compra de la bacteria AM-5000 que se utiliza para remover los excedentes de
fenol, es a un tercero con tiempo de entrega largo, lo que origina un costo
excedente que afecta el estado financiero de la compañía, falta de confiabilidad
operativa en caso de eventualidades con el fenol y deficiente calidad de agua al
cliente.
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Con este proyecto se pretende reducir la compra de la bacteria AM-5000, lo que
se asegurara la disponibilidad de microorganismos en cantidad y calidad,
necesarios para atender contingencias, reducir costos de adquisición y tener
inventario en caso de desabasto del proveedor actual.
Objetivo general:
Reproducir la bacteria para remoción de fenol en el laboratorio de la Planta de
Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) para reducir costos de adquisición.
Objetivos específicos:
Reproducir biomasa que remueva fenoles el laboratorio de la PTAR para
su disposición en reactores biológicos que propicie el aumento de eficiencia
de remoción de fenoles.
Incorporar la bacteria al sistema biológico de la PTAR y medir su efectividad
de remoción de fenol.
Estimar el beneficio económico por la reproducción de la bacteria en el
laboratorio de la PTAR comparado con la adquisición actual.
Hipótesis:
Los microorganismos de manera general se caracterizan por reproducirse en
medios estables de temperatura con un alto grado de nutrientes, por lo tanto; se
espera que en condiciones adecuadas de temperatura, nutrientes y oxígeno, la
bacteria AM-5000 pueda reproducirse en cantidades suficientes, para ser
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integradas al proceso biológico de la PTAR y así obtener un abatimiento en los
costos actuales de adquisición de la misma.
Marco teórico
El fenol
Orígenes y usos del fenol
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Propiedades físicas y químicas del fenol
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Principales industrias productoras de compuestos fenolico
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Toxicidad del fenol
Estudios eco tóxicos
Estudios eco toxicológicos del fenol.
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Efectos en la salud humana.
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Regulacion y legislacion sobre el fenol
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Metodología
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Inoculo bacteriano
De acuerdo a la bibliografía consultada y a la experiencia laboral en el tema, esta
es la metodología propuesta para el desarrollo de la investigación la cual está
sujeta a cambios de acuerdo a los resultados que se obtengan durante la
investigación.
Descripción de la metodología. La bacteria AM-5000 es proporcionada por un proveedor y a partir de esta se
pretende reproducir en caldo nutritivo de acuerdo con el siguiente procedimiento.
1. Pesar 4g de caldo nutritivo en una balanza analítica.
2. Diluir los 4g de caldo nutritivo en agua destilada utilizando un matraz
aforado de 500 ml.
3. En un recipiente adicionar 100 ml del concentrado bacteriano.
4. Añadir el caldo nutritivo al recipiente con concentrado bacteriano.
5. Mezclar el caldo nutritivo y el concentrado bacteriano remanente.
6. Introducir a la incubadora a 36 °C POR 24 h
7. Agitar el concentrado bacteriano.
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8. En una cubeta de 20 L colocar 10 L del agua del reactor biológico.
9. Tomar 0.5 L del concentrado y vaciarlo a la cubeta que contiene 10 L de
agua del reactor biológico.
10. Airear el contenido de la cubeta por 72 h.
11. Vaciar el contenido de la cubeta al reactor biológico.
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INDICE
Resumen……………………………………………………………………………
3
Abstract……………………………………………………………………………..
4
Introducción……………………………………………………………………….
5
Antecedentes……………………………………………………………………...
6
Planteamiento del problema……………………………………………………..
7
Justificación………………………………………………………………………..
8
Objetivo General…………………………………………………………………..
9
Objetivos específicos……………………………………………………………..
9
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Hipótesis…………………………………………………………………………… 9
Marco teórico………………………………………………………………………
10
Metodología………………………………………………………………………..
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Resultados…………………………………………………………………………
15
Resultados………………………………………………………………………… 16
Conclusiones y recomendaciones…………………………………………….. 17
Referencias………………………………………………………………………. 18
Anexos……………………………………………………………………………. 19
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