APLICACIÓN DEL PROCESO COAGULACIÓN-OXIDACIÓN PARA REDUCIR LA DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO (DQO) PRESENTE EN AGUAS DE FORMACIÓN PROVENIENTES DEL PROCESAMIENTO DE GAS NATURAL
APLICACIÓN DEL PROCESO COAGULACIÓN-OXIDACIÓN PARA REDUCIR LA DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO (DQO) PRESENTE EN AGUAS DE FORMACIÓN PROVENIENTES DEL PROCESAMIENTO DE GAS NATURAL
Kevin Xavier Huilcarema Enríquez*, Edwin Mauricio Quizhpi Jadán**, Sandra Emperatriz Peña Murillo1
Universidad de Guayaquil – Ecuador *email:
[email protected], **email:
[email protected] Facultad de Ingeniería Química, Carrera de Ingeniería Química, Cdla. Universitaria Salvador Allende. Malecón del Salado entre Av. Delta y Av. Kennedy
RESUMEN En este artículo se evalúan diferentes tipos coagulantes (Policloruro de Aluminio, Cloruro Férrico, Sulfato de Aluminio y Sulfato Ferroso) a fin de clarificar el agua y posteriormente escoger un oxidante (Peróxido de Hidrógeno, Hipoclorito de Sodio o Hipoclorito de Calcio) para reducir la Demanda Química de Oxígeno (DQO) presente en las aguas de formación provenientes del procesamiento de Gas Natural; esto con la finalidad de evitar el impacto ambiental negativo que este contaminante pueda causar al ser descargado e influenciar en la calidad natural que pueda presentar un cuerpo de hídrico receptor. Se describe la metodología utilizada con cada uno de los reactivos a ser experimentados, mostrar los resultados que presenten, detallar el análisis estadístico y establecer las variables de reactivos a utilizar, dosificación, así como otros detalles técnicos que puedan ser de utilidad para futuras investigaciones relaciones a esta área. Palabras clave: Tratamiento de Aguas, Gas Natural, Coagulación, Oxidación
ABSTRACT This article evaluates the different types of coagulants (Aluminum Polychloride, Ferric Chloride, Aluminum Sulphate and Ferrous Sulphate) to clarify the water and then to choose an oxidant (Hydrogen Hypoxide, Sodium Hypochlorite or Calcium Hypochlorite) for Reduce the Chemical Oxygen Demand (COD) present in the production waters from Natural Gas processing; This in order to avoid the negative environmental impact that this pollutant can cause when being discharged and influence in the natural quality that a body of receiving water can present. We describe the methodology used with each of the reagents to be tested, show the results presented, detail the statistical analysis and establish the reagent variables to be used, dosage, as well as other technical details that may be useful for future research relations to this area. Keywords: Water Treatment, Natural Gas, Coagulation, Oxidation
1
Ingeniera Química, Profesora de la Universidad de Guayaquil, actualmente Directora de la carrera de Ingeniería Química (email:
[email protected])
APLICACIÓN DEL PROCESO COAGULACIÓN-OXIDACIÓN PARA REDUCIR LA DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO (DQO) PRESENTE EN AGUAS DE FORMACIÓN PROVENIENTES DEL PROCESAMIENTO DE GAS NATURAL
INTRODUCCIÓN El agua de formación es 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). La temperatura de esta agua de formación que sale a la superficie cubren un rango de entre 32 a 73 grados centígrados, con una temperatura media de 55 grados centígrados. Otro problema inmediato es que, 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.
sale a la superficie asociada con el crudo o gas, la cantidad de agua presente va a variar de acuerdo a la formación geológica que presenta. 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). Para evaluar la calidad de los “flocs” formados, El Índice de Willcomb (Giordani, Gonzáles, Morales, Quijano, & Tejada, 2008) permite dar una calificación cuantitativa de acuerdo a la consistencia y tiempo de sedimentación. (Ver cuadro x) Cuadro 1: Índice de Willcomb
Gráfica 1: Producción de Gas Natural y Agua 2.000.000
40.000
1.500.000
30.000
1.000.000
20.000
500.000
10.000
0
0 2012
2015
Gas Natural (MSCF)
Agua (Bls)
La 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 (Xavier, Jardim, & Litter., 2014). Es un parámetro de mucha importancia a ser tomado en cuenta para el tratamiento de aguas residuales productivas, ya que puede ser considerado un indicador de la cantidad de carga orgánica que la descarga pueda contener; por otro lado, las aguas de formación, también llamadas aguas de proceso, es el agua salobre presente en los yacimientos de petróleo o gas natural, y que
Hay ocasiones en que los tratamientos básicos no son suficiente para remover grandes cantidades de contaminantes, y dependiendo de las características de la muestra se hace necesario el uso de oxidantes para degradar materia orgánica remanente. ANTECEDENTES Para la aplicación del proceso adecuado se analizaron otras tecnologías existentes para el tratamiento de aguas con características similares (con alta carga orgánica) a las que presenta la muestra objeto de estudio, luego se realizó una evaluación de estas utilizando la metodología descrita por (J. D. Arthur, B. G. Langhus, & C. Patel, 2005). Los resultados, así como el principio en que se basa cada proceso se muestran en el Cuadro 1.
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Cuadro 1: Evaluación de Tecnologías
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Se toma una cantidad de 20 litros del volumen total de la muestra almacenada en refrigeración (60 litros), para realizar pruebas en el Test de Jarras; donde se dividirán en alícuotas de un litro por prueba, con un total de cinco ensayos por coagulantes para la experimentación. La metodología de las pruebas se resume en la Gráfica 2. Gráfica 2: Metodología del Experimento
De acuerdo a esto, la tecnología Actiflo (VEOLIA, 2016), la cual se basa en un proceso de coagulación-floculación, presenta uno de los mejores resultados. Lo siguiente es proceder a realizar pruebas experimentales.
Agua Cruda
Homogenización Cal Ácido Sulfúrico
Ajuste de pH
Hidróxido de Sodio
Coagulante
Clarificación
Floculante Aireación
MATERIALES Y REACTIVOS Sedimentación
Para la realización de las pruebas de laboratorio, se utilizaron los siguientes recursos: Los materiales y quipos usados son: • • • • • • •
Vasos de precipitados Test de Jarras Viales para DQP HACH Termómetro Ph-metro Aireadores mecánicos Equipos de Protección Personal
Los coagulantes usados estarán en estado sólido y son: • • • •
Policloruro de Aluminio (PAC) Sulfato de Aluminio Cloruro Férrico Sulfato Ferroso
Los oxidantes usados son: • • •
Hipoclorito de Sodio Hipoclorito de Calcio Peróxido de Hidrógeno
Lodos
Filtración
Aireación
Oxidación
Agua Tratada
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) ×100 (𝐷𝑄𝑂 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙)
RESULTADOS De acuerdo a lo realizado a escala de laboratorio, se muestran los siguientes resultados:
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Cuadro 2: Mejores Resultados Experimentales
Una vez que se determinó el mejor coagulante, se procede a la evaluación para el uso de un oxidante a fin de reducir la carga orgánica remanente; El Cuadro 3 muestra la experimentación de los oxidantes propuestos. Cuadro 3: Elección del Oxidante
En función de los datos obtenidos, se decide tomar el Policloruro de aluminio como mejor coagulantes, indicándose en una dosis de 10 mg/L, con 10 mg/L de un floculante aniónico (Cuadro 2). Gráfica 3: Resultados para DQO
De acuerdo a los resultados obtenidos, se decide la aplicación de la Prueba 2 (Gráfica 5), el cual consiste en la dosificación de 5 ml de hipoclorito de sodio (10%) y 15 ml de peróxido de hidrógeno (50%), con lo cual se evidenció una reducción de la DQO en 45% adicional, dejando en reposo el agua con aireación y carbón activado durante 3 días. Gráfica 5: Resultados para uso de Oxidante
El índice de Willcomb fue de 9 (Gráfica 4), aplicando una velocidad en agitación rápida de 260 RPM con tiempo de 2 minutos y 25 RPM en velocidad lenta con 10 minutos, luego dejando un tiempo de sedimentación de 15 min. Obteniéndose una reducción de 47% de la DQO (Gráfica 3). Figura 1: Test de Jarras con PAC
Gráfica 4: Resultados para Índice de Willcomb Índice de Willcomb
Sulfato Ferroso
Policloruro de Aluminio (PAC) 10 8 6 4 2 0
Cloruro Férrico
Sulfato de Alumino
Al final, combinando todo el procedimiento de Coagulación-Oxidación se obtiene una muestra con un valor de 1912 mg/L de DQO, lo cual representa una reducción del 71% respecto al valor inicial de 6562 mg/L de DQO. El agua muestra buen aspecto visual, se consiguió una muestra como la que se ve a continuación. Figura 2: Muestra al final del Tratamiento
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CONCLUSIONES
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. Aplicando el tratamiento propuesto se alcanzó un rendimiento de 71% para remoción de la DQO. 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. En el caso que la descarga del efluente industrial se encuentre en Alta Mar, 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 por la industria que corresponda.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Bravo, E. (2007). Los impactos de la explotación petrolera en ecosistemas tropicales y la biodiversidad. Quito: Acción Ecológica. Giordani, S., Gonzáles, L., Morales, A., Quijano, J., & Tejada, A. (2008). Factibilidad del uso de polímeros para la clarificación del agua potable en la ciudad de Mérida. Revista Científica Juvenil, VII-VIII, 97-108.
J. D. Arthur, B. G. Langhus, & C. Patel. (2005). Technical Summary of Oil and Gas Produced Water Treatment Technologies. Obtenido de http://www.rrc.state.tx.us/commissio ners/williams/environment/produced water trtmnt Tech.pdf Romero Rojas, J. A. (2013). Tratamiento de aguas residuales: teoría y principio s de diseño. Bogotá: Bogotá: Eci. VEOLIA, T. W. (2016). ACTIFLO. Obtenido de Proceso Avanzado de decantación lastrada: http://www.veoliawatertechnologies.e s/tecnologias/actiflo/ X. D., Jardim, W. F., & Litter., M. I. (2014). Procesos Avanzados de Oxidación para la Eliminación de Contaminantes. Comisión Nacional de Energía Atómica. Buenos Aires. Obtenido de http://www.cnea.gov.ar/sites/default/ files/06cap01.pdf
