REMOCIÓN DE COMPUESTOS AROMÁTICOS DE LAS AGUAS RESIDUALES DE UN COMPLEJO PETROQUÍMICO

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1 XXVIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental Cancún, México, 27 al 31 de octubre, 22 REMOCIÓN DE COMPUESTOS AROMÁTICOS DE LAS AGUAS RESIDUALES DE UN COMPLEJO PETROQUÍMICO Miriam G. Rodríguez * Universidad Autónoma Metropolitana de Azcapotzalco, Departamento de Energía. Sergio A. Martínez Universidad Autónoma Metropolitana de Azcapotzalco, Departamento de Energía. Ricardo Aguilar Universidad Autónoma Metropolitana de Azcapotzalco, Departamento de Energía. Gabriel Soto Universidad Autónoma Metropolitana de Azcapotzalco, Departamento de Energía. (*) UAM-Azcapotzalco: Ing. Ambiental, actualmente concluyendo su maestría en el programa del posgrado en Ingeniería y Ciencias Ambientales en la Universidad Autónoma Metropolitana - Azcapotzalco. Realiza investigaciones relacionadas con el tratamiento de residuos líquidos mediante procesos electroquímicos y tiene varias publicaciones nacionales e internacionales en el campo. Ha impartido cursos relacionados con el tratamiento de aguas residuales. Ha realizado presentaciones en diversos congresos y eventos internacionales y nacionales en el área de tratamiento de aguas residuales mediante métodos electroquímicos y convencionales. Miembro de la Asociación International del Agua (IWA). (*):Departamento de Energía, Av. San Pablo 18 Col. Reynosa Tamps., Azcapotzalco- Apartado Postal.22, México, D.F. MÉXICO, Tel.- +(52) Fax.- +(52) samd@correo.az.uam.mx RESUMEN En este trabajo se presenta la metodología empleada para disminuir el contenido de materia orgánica, principalmente compuestos aromáticos de las aguas residuales de un complejo petroquímico empleando la infraestructura existente, misma en la que el tratamiento biológico consiste en un sistema de lagunas aireadas. Se evaluaron dos alternativas a nivel laboratorio para la optimización del tratamiento, la primera consistió en la reinoculación del sistema de lagunas aireadas utilizando lodos biológicos adaptados para degradar compuestos aromáticos, y la segunda fue tratar el agua residual del complejo mediante un sistema de lodos activados con los mismos microorganismos usados para la reinoculación. En ambos casos el agua residual que alimentaba estos sistemas fue tomada de la laguna de aireación real (drenaje general), por medio de un muestreador continuo. Para evaluar la eficiencia de cada una de las alternativas se tomaron muestras en diversos puntos, en el caso del sistema de reinoculación de lodos, las muestras fueron tomadas a la entrada y a la salida del reactor (laguna aireada), y a la salida de la laguna de estabilización; y en el caso del sistema de lodos activados, las muestras se tomaron a la entrada del reactor y a la salida del sedimentador secundario. Los parámetros considerados en el estudio fueron: DBO 5, DQO (total y soluble) y compuestos aromáticos (benceno, xileno, etilbenceno y tolueno) los cuales se determinaron mediante espectrometría de masas y cromatografía. Los resultados mostraron que la remoción de la materia orgánica en términos de DQO total se incrementa de 83% con el sistema actual a valores del orden del 9% con los lodos adaptados, y en un 96% con el sistemas de lodos activados. En el caso de los compuestos aromáticos estos no fueron detectados a la salida de ninguno de los sistemas con lodos adaptados, a diferencia del sistema actual, en que siempre se encontraron presentes. Palabras Clave: Compuestos aromáticos, lagunas aireadas, lodos activados, complejo petroquímico, reinoculación

2 INTRODUCCION Es necesario buscar nuevas tecnologías u optimizar los procesos existentes de tal manera que permitan depurar las aguas contaminadas hasta niveles inocuos, esto es que no rebasen los límites permisibles de las normas oficiales (legislación ambiental). Las aguas residuales generadas en muchas plantas petroquímicas contienen compuestos aromáticos (benceno, tolueno, etilbenceno y xileno, entre otros), que deben ser removidos de dichas aguas, por lo que se requieren microorganismos adaptados para biodegradarlos. Durante el tratamiento biológico aeróbico de aguas residuales estos compuestos se remueven por medio de dos mecanismos principalmente (Eckenfelder, 1989) Biodegradación.- durante este proceso los microorganismos oxidan los compuestos aromáticos hasta CO 2 y H 2 O, alcanzándose remociones en promedio para los compuestos señalados, de 8%. Sin embargo, para alcanzar estos niveles de remoción, se requiere que los sistemas biológicos estén inoculados con microorganismos adaptados para biodegradar dichos compuestos. Agotamiento (stripping).- debido a la aireación (principalmente con aireadores superficiales) en el sistema biológico se presenta una transferencia de los compuestos volátiles del líquido al aire, por lo que son removidos del agua residual. Este proceso complementa la remoción por biodegradación de los compuestos señalados, alcanzándose una remoción promedio del 2%, para estos compuestos. Es importante señalar que estos procesos se llevan a cabo simultáneamente durante el tratamiento biológico aireado, por lo que dichos compuestos son removidos de las aguas residuales hasta en un 99%. En este trabajo se presenta la metodología utilizada para disminuir el contenido de materia orgánica, principalmente compuestos aromáticos de las aguas residuales de un complejo petroquímico, empleando la infraestructura existente, la cual consiste en un sistema de lagunas de igualación, seguido por unas lagunas aireadas y termina con una laguna de estabilización. Cabe mencionar que con la finalidad de reducir los contaminantes a niveles permisibles por la normatividad (SEMARNAP, 1996) las alternativas propuestas consideran la modificación del tratamiento biológico. MATERIALES Y METODOS Se desarrollaron experimentalmente dos alternativas con la finalidad de evaluar su viabilidad para optimizar el sistema de tratamiento de las aguas residuales de un complejo petroquímico utilizando lodos biológicos adaptados para degradar compuestos aromáticos, ya que estos existen en el agua residual y no son removidos eficientemente por los microorganismos que actúan en el sistema actual. Las alternativas evaluadas a nivel laboratorio fueron las siguientes: 1. Reinoculación del sistema de lagunas aireadas con lodos biológicos adaptados para biodegradar compuestos aromáticos. 2. Tratamiento del agua residual del complejo mediante un sistema de lodos activados. REINOCULACIÓN DE LODOS BIOLÓGICOS EN LA LAGUNA AIREADA Considerando que los microorganismos utilizados en este sistema deben estar adaptados para degradar compuestos aromáticos, los lodos biológicos se obtuvieron de la purga de los sedimentadores del sistema de tratamiento de aguas residuales de una planta que contiene en su agua residual compuestos aromáticos. Estos se inocularon en la primera sección del reactor aireado en una proporción del 5%. Se montó un sistema piloto continuo para simular las condiciones de operación del sistema real de lagunas aireadas, utilizándose para este fin un reactor de 1 litros de volumen de operación, con un tiempo de residencia de 5 días, la

3 concentración de oxígeno disuelto se mantuvo en 3.2 mg/l. El efluente de este reactor fue pasado a otro de 6 litros, el cual simuló la operación de una laguna de estabilización real, con un tiempo de residencia de 3 días. El agua residual que alimentó al reactor fue tomada de la laguna de aireación real (drenaje general), por medio de un muestreador continuo, el cual operó durante las 24 horas, el agua residual acumulada se cambiaba diariamente y se le adicionaban nutrimentos para alimentar al reactor. Los puntos de muestreo durante las experimentaciones fueron los siguientes: a la entrada del reactor (afluente), a la salida del reactor aireado (efluente de la laguna aireada) y a la salida de la laguna de estabilización (efluente final). El sistema operó durante 5 días a partir de la reinoculación con los lodos adaptados para biodegradar compuestos aromáticos y se le dejó 1 días para su aclimatación. Los parámetros considerados para evaluar el funcionamiento del sistema fueron la Demanda Química de Oxígeno (DQO), la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO 5 ), en ambos casos total y soluble. El contenido de compuestos aromáticos (benceno, xileno, etilbenceno y tolueno), se determinó por medio espectrometría de masas y cromatografía (APHA, 1995). TRATAMIENTO POR MEDIO DE UN SISTEMA DE LODOS ACTIVADOS En la experimentación realizada para evaluar el sistema de lodos activados se utilizó un reactor continuo de 1 litros de volumen de operación, seguido de un sedimentador de lodos que operó con un tiempo de residencia de 2 días, los Sólidos Suspendidos Totales (SST) promedio fueron de 22 mg/l, la DBO 5 promedio fue de 135 mg/l, la relación Alimento/Microorganismo (A/M) promedio fue de.35 días -1 y la tasa de recirculación de.3. El reactor operó con los mismos microorganismos que se utilizaron para la reinoculación del sistema de lagunas aireadas. El agua residual que alimentaba al reactor fue obtenida de la misma manera que en el caso de reinoculación del sistema de lagunas aireadas. Las muestras fueron tomadas a la entrada del reactor (antes que se mezcle con la recirculación) y a la salida del sedimentador. El sistema se dejó en aclimatación durante 1 días, y después de este periodo se procedió al muestreo. Los parámetros considerados para evaluar el funcionamiento del sistema de lodos activados fueron los mismos que en el caso de la reinoculación del sistema de lagunas aireadas. RESULTADOS REINOCULACIÓN DE LODOS BIOLÓGICOS EN LA LAGUNA AIREADA La figura 1 muestra los resultados de la DQO soluble a la entrada (promedio 1775 mg/l) y a la salida del sistema real, y a la salida del sistema reinoculado con lodos adaptados. Se observa que hay una variación importante de la DQO soluble en el agua que alimentaba tanto al sistema real, como al sistema con los lodos adaptados (afluente), por lo que se puede inferir que la laguna de igualación no funciona adecuadamente, esta deficiencia provoca que también se presente una variación en los valores de la DQO a la salida de la laguna de aireación real, lo que se puede ver en la misma figura.

4 3 25 DQO (mg/l) Sistema real Entrada Lodos aclim Figura 1. Variación de la DQO a la entrada y a la salida de las lagunas aireadas del complejo y a la salida del sistema piloto reinoculado. Por otra parte se puede ver que la DQO del efluente del sistema piloto reinoculado con lodos adaptados para biodegradar compuestos aromáticos se afecta en menor grado por las variaciones de DQO del afluente, es decir presenta un efecto de amortiguamiento, lo que mejora la calidad del efluente en este sistema. La figura 2 presenta con mayor detalle los resultados de la DQO soluble a la salida de la laguna de aireación (efluente) en las condiciones reales y del reactor piloto reinoculado con los lodos adaptados, el valor promedio de la DQO en el efluente del sistema piloto reinoculado (2 mg/l), es menor que el valor promedio de DQO del efluente del sistema actual (31 mg/l), es decir, el sistema con lodos adaptados es más eficiente (35%) que el sistema actual. 5 4 DQO (mg/l) Sistema real Sist. lodos aclimatados Figura 2. Variación de la DQO a la salida de las lagunas aireadas del complejo y a la salida del sistema piloto reinoculado. Experimentalmente se encontró que la relación DBO 5 /DQO para las condiciones de operación se encuentra entre.24 a.26 y la DBO 5 promedio para ambos casos a la salida de la laguna de aireación es de 87 mg/l, para el sistema actual del complejo y de 56 mg/l para el sistema reinoculado con los lodos adaptados, esto significa que el sistema reinoculado con los lodos adaptados remueve 35% mas que el sistema real. Los SST promedio a la salida del reactor piloto fueron de

5 35 mg/l. La figura 3 muestra los resultados de la DQO soluble a la salida de la laguna de aireación piloto reinoculada con los lodos adaptados durante el periodo total de operación, incluyéndose el periodo de aclimatación. Se observa que en los primeros 15 días se tiene una reducción importante de la DQO, esto es, de 366 mg/l al inicio hasta valores de 21 mg/l a los 16 días, después de este periodo se observa una tendencia a la estabilización, donde se obtienen valores promedio de DQO soluble de 2 mg/l DQO (mg/l) Laguna c/lodos adaptados Figura 3. Variación de la DQO a la salida de las lagunas aireadas del complejo y a la salida del sistema piloto reinoculado. LAGUNA DE ESTABILIZACIÓN La figura 4 muestra la variación de la DQO soluble para ambos casos a la salida de la laguna de estabilización y el reactor no aireado piloto. Los resultados muestran que el promedio en la DQO soluble a la salida de la laguna real es de 32 mg/l, mientras que para la laguna de estabilización del sistema piloto es de 164 mg/l, lo que implica una reducción del 49% con respecto al sistema actual. La DQO total promedio a la salida de la laguna de estabilización del sistema real es de 514 mg/l, mientras que para el sistema inoculado con los lodos adaptados es de 31 mg/l. Con base en lo anterior se obtiene que la DBO 5 total a la salida de la laguna de estabilización para las condiciones reales es en promedio de 15 mg/l, mientras que para el sistema piloto inoculado con los lodos adaptados se tiene una DBO 5 total de 88 mg/l, con lo que se tiene una reducción promedio de la DBO 5 total del 41%. En la tabla 1 se muestra un resumen de los resultados.

6 5 4 Sistema real Sist. lodos aclimatados DQO (mg/l) Figura 4. Variación de la DQO a la salida de las lagunas aireadas del complejo y a la salida del sistema piloto reinoculado. Tabla 1.- Comparación de la DQO y DBO a la salida de la laguna de estabilización con el sistema real del complejo y el sistema piloto reiniculado con los lodos adaptados. Sistema DQO S (mg/l) DQO T (mg/l) DBO T (mg/l) % Reducción (Con base en la DQO S ) Actual Con lodos adaptados *DQOs del agua residual a la entrada = 1775 mg/l Como se puede observar, con los lodos adaptados se incrementa la eficiencia total del sistema biológico, ya que la remoción de contaminantes expresada como DQOs se incrementó de 82% a 91%. Por otra parte los sólidos suspendidos totales promedio a la salida de la laguna de estabilización piloto fueron de 16 mg/l. TRATAMIENTO POR MEDIO DE UN SISTEMA DE LODOS ACTIVADOS La figura 5 muestra los resultados de DQO y DBO 5 totales a la salida del sistema de lodos activados inoculados con lodos biológicos adaptados (después del sedimentador). Se observa que la DQO total promedio es de 175 mg/l y la DBO 5 total promedio es de 5 mg/l, además también se ve que los resultados tienen poca dispersión por lo que se puede considerar que el sistema es estable, así como, porque la velocidad de consumo específico de oxígeno se mantuvo en un valor promedio de.173 h -1. Durante las experimentaciones se observó una buena sedimentación de los lodos biológicos con in Indice Volumétrico de Lodos de 8 ml/g y una relación A/M de.35 días -1, además de una buena clarificación del efluente tratado. La concentración promedio de SST del agua residual tratada después del sedimentador fue de 15 mg/l.

7 DQO total DBO5 total Media mg/l Figura 5. Variación de la DQO y DBO 5 totales a la del sistema de lodos activados. COMPUESTOS AROMÁTICOS Se realizó un análisis mediante espectrometría de masas y cromatografía al agua de la salida de la laguna de aireación del sistema que opera actualmente y a la salida de los sistemas evaluados, esto es, a la salida de la laguna de aireación piloto reinoculada con los lodos adaptados para degradar compuestos aromáticos y a la salida del sedimentador secundario del sistema de lodos activados. Los resultados de estos análisis se encuentran en la tabla 2. Tabla 2.- Compuestos aromáticos en el agua residual a la salida de la laguna aireada en los sistemas actual y a la salida de los sistemas con lodos adaptados. COMPUESTO SISTEMA REAL (mg/l) SISTEMA PILOTO REINOCULADO SISTEMA DE LODOS ACTIVADOS Benceno Xileno Etilbenceno Tolueno Como se puede observar, los compuestos aromáticos no son removidos completamente con los microorganismos del sistema actual, a diferencia de los sistemas con los lodos adaptados, donde a la salida de ambos sistemas no fueron detectados (N.D.) estos compuestos, con lo que la DQO a la salida de la laguna de aireación en el sistema reinoculado y a la salida del sedimentador del sistema de lodos activados se reduce. COMPARACIÓN DE LOS RESULTADOS La tabla 3 muestra la comparación de los resultados experimentales obtenidos con los resultados de análisis del sistema de lagunas aireadas que opera actualmente, del sistema piloto inoculado los lodos adaptados y el sistema de lodos activados adaptados, observándose que con el sistema de lodos activados se obtiene el efluente de mayor calidad, y a diferencia de los otros sistemas no requiere de dilución con las aguas pluviales (situación que se presenta en el sistema real), puesto que cumple directamente con los límites permisibles de la Normatividad Ambiental (DBO de 15 mg/l).

8 Por último, el sistema real no cumple con los límites permisibles de descarga a menos que se mezcle con el drenaje pluvial. Por otra parte., el sistema reinoculado con lodos adaptados, en ambos casos satisface los límites permisibles de descarga, aunque no se diluya con el drenaje pluvial de la planta. Tabla 3. - Comparación de resultados entre el sistema real y los sistemas con lodos adaptados SALIDA DE LA LAGUNA DE EMISOR FINAL ESTABILIZACIÓN SISTEMA DQO T (mg/l) DBO T (mg/l) DQO T (mg/l) DBO T (mg/l) Real Reinoculación con lodos adaptados Lodos activados adaptados CONCLUSIONES Los lodos biológicos adaptados para biodegradar compuestos aromáticos remueven con mayor eficiencia los contaminantes, que los lodos biológicos con los que opera actualmente el sistema real del complejo, ya que la remoción de contaminantes en términos de la DQO soluble se incrementa de 82% del sistema actual hasta el 91% con los lodos adaptados. Aprovechando las instalaciones que existen actualmente, la reinoculación con lodos biológicos adaptados para biodegradar compuestos aromáticos, puede ser una posible solución para alcanzar los niveles de descarga requeridos por la legislación ambiental, aún sin mezclar el efluente a la salida de la laguna de estabilización con el drenaje pluvial de la planta. Para el caso del sistema de lodos activados, el tiempo de residencia hidráulico se puede disminuir aproximadamente a la mitad del sistema de lagunas aireadas, por lo tanto el volumen de operación del sistema se reduciría. Además, con este sistema el efluente tratado que se obtiene se encuentra por debajo de los límites máximos permisibles de la legislación ambiental, es decir, puede ser descargado directamente al cuerpo receptor sin dilución, sin embargo hay que realizar un análisis de costos para hacer la conversión del sistema actual del complejo a un sistema de lodos activados. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS APHA, AWWA, WPCF. (1995) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. U.S.A. SEMARNAP. (1996) NOM-1-ECOL-1996; Limites máximos permisibles de contaminantes en las descargas residuales en aguas y bienes nacionales, en Diario Oficial de la Federación, 6 de enero de Eckenfelder, W. (1989). Industrial Water Pollution Control. McGraw Hill Ramalho, R. (1996) Tratamiento de aguas residuales. Ed. Reverté. Tchobanoglous, G. and Burton, F. (1991) Wastewater Engineering, Treatment, Disposal, Reuse. Metca&Eddy. McGraw Hill.