Artículo original

Cinética de la degradación de hidrocarburos mediante biopilas a escala de banco

Kinetic of hydrocarbon degradation by biopile at a bench-scale

0000-0002-3644-6245Omar Gutiérrez-Benítez^{1  *}  , https://orcid.o rg/0000-0002-7609-3229David Javier Castro-Rodríguez²  , 0000-0003-4867-3020Orlando Manuel Viera-Ribot¹  , 0000-0003-2385-8846Enmanuel Casals-Pérez¹  , 0000-0003-3392-6486Dayana Rabassa-Rabassa¹ 

¹Departamento de Gestión e Ingeniería Ambiental. Centro de Estudios Ambientales de Cienfuegos, Cuba.

²Politecnico di Torino (POLITO). Dipartimento Scienza Applicata e Tecnologia (DISAT). Centro Studi su Sicurezza, Affidabilità e Rischi (SAFER). Dottorando.

RESUMEN

La biorremediación de hidrocarburos está condicionada por factores físicos, químicos, microbiológicos y medioambientales. El objetivo fue evaluar el comportamiento de la cinética de la degradación de hidrocarburos, mediante la ecotecnología de biopilas utilizando diferentes texturizantes, a escala de banco. Se implementó un protocolo experimental para evaluar seis tratamientos, utilizando bagazo de caña integral, cachaza, serrín, pulpa de café, estiércol vacuno y residuos de Thalassia testudinum, durante el tiempo 0, 60, 90, 150 y 240 días. Los datos experimentales fueron ajustados a los modelos matemáticos para las reacciones de orden cero, primer orden y segundo orden. Se determinó estadísticamente el modelo de mejor ajuste y el orden de la reacción. Se obtuvieron la constante de velocidad de reacción y el tiempo de vida medio. Se elaboró un libro de cálculo de Microsoft Office Excel para los cálculos y gráficos correspondientes. Se obtuvieron altas eficiencias de remoción de hidrocarburos (GyA e HTP) para todos los texturizantes. El estiércol vacuno fue el tratamiento con mayor porcentaje, del orden de 66,08 % y 59,12 % respectivamente. La cinética de la degradación de hidrocarburos tuvo un mejor ajuste al modelo de segundo orden, explicado a partir de la naturaleza compleja del residual petrolizado investigado, y por la ocurrencia de los complejos mecanismos bioquímicos de la biorremediación de los hidrocarburos en la ecotecnología de biopilas. La investigación aportó criterios técnicos para la selección del texturizante a utilizar en la optimización y escalado de la ecotecnología.

Palabras-clave: residuo petrolizado; biorremediación; biopila; cinética; degradación de hidrocarburos

ABSTRACT

Hydrocarbon bioremediation is conditioned by physical, chemical, microbiological and environmental factors. The objective was to assess the performance of the kinetics of hydrocarbon degradation by biopile ecotechnology using different texturizers, at bench scale. An experimental protocol was implemented to evaluate six treatments, using sugarcane bagasse, sugarcane filter cake, sawdust, coffee pulp, cow dung and Thalassia testudinum residues, for 0, 60, 90, 150 and 240 days. The experimental data were fitted to mathematical models for zero-order, first-order and second-order reactions. The best-fit model and the order of the reaction were statistically determined. The reaction rate constant and half-life were obtained. A Microsoft Office Excel workbook was prepared for the corresponding calculations and graphs. High hydrocarbon removal efficiencies (G&A and TPH) were obtained for all texturizers. Cow dung was the treatment with the highest percentage, of the order of 66.08 % and 59.12 % respectively. The kinetics of hydrocarbon degradation had a better fit to the second order model, explained by the complex nature of the petroleum waste investigated, and by the occurrence of the complex biochemical mechanisms of hydrocarbon bioremediation in the biopile ecotechnology. The research provided technical criteria for the selection of the texturizer to be used in the optimization and scale-up of the ecotechnology.

Key words: petroleum waste; bioremediation; biopile; kinetic; hydrocarbon degradation

Introducción

Las actividades de extracción, refinación, distribución y uso de hidrocarburos generan peligros de derrames y pasivos ambientales contaminados. Estos pueden provocar una amplia variedad de impactos en el medio ambiente y en la salud.^1-2) El componente más costoso y que requiere más tiempo de una respuesta de manejo efectiva suele ser el tratamiento de los residuos. ^3,4)

La biorremediación es un método de tratamiento recomendado.^5,6) La biopila es una tecnología de bioestimulación ex situ, pertinente para la biorremediación de residuos petrolizados y suelos contaminados con hidrocarburos.^7,8,9 En Cuba el Centro de Investigaciones del Petróleo desarrolló un proyecto de biorremediación como alternativa al saneamiento ambiental en la industria petrolera. Se diseñó y habilitó un área de biorremediación en una empresa comercializadora de combustibles.¹⁰

El Centro de Estudios Ambientales de Cienfuegos junto al Instituto de Ciencias del Mar y el Instituto de Investigaciones Suelos ejecutan el proyecto de investigación-desarrollo “Evaluación de la ecotecnología de biopilas para la biorremediación de residuos petrolizados utilizando texturizantes locales”, en lo adelante proyecto Biopilas.

Se reconoce que la degradación de hidrocarburos está condicionada por factores físicos, químicos, microbiológicos y medioambientales. Esto hace que la cinética de la degradación sea muy compleja.^11,12,13)

El objetivo fue evaluar el comportamiento de la cinética de la degradación de hidrocarburos en la ecotecnología de biopilas utilizando diferentes texturizantes, a escala de banco.

Materiales y métodos

En la figura 1 se muestra el procedimiento utilizado en el protocolo experimental del proyecto Biopilas.¹⁴ Entre sus etapas se incluyen la evaluación de la degradación de hidrocarburos y la evaluación de la cinética.

Fig. 1 Procedimiento utilizado en el protocolo experimental el proyecto Biopilas ¹⁴  

Las etapas de elección, acopio y caracterización de los materiales; diseño del arreglo experimental; diseño de las unidades experimentales; y montaje de las unidades experimentales fueron descritas.¹⁴

Monitoreo y control de las unidades experimentales

Las unidades experimentales fueron conformadas en correspondencia con las propuestas de los diseños experimental e ingeniero, a partir de una mezcla de residuo petrolizado, suelo y material texturizante. Fueron evaluados seis tratamientos, utilizando como texturizantes bagazo de caña integral, cachaza, serrín, pulpa de café, estiércol vacuno, y residuos de Thalassia testudinum, respectivamente.¹⁴

La composición química de diseño de las unidades experimentales fue de 22809 mg/kg y 9565 mg/kg de Grasas y Aceites (GyA) e Hidrocarburos Totales del Petróleo (HTP) respectivamente, 8 % de texturizante, y 20 % de humedad.

Las unidades experimentales fueron monitoreadas y controladas, según las siguientes actividades y tiempos:

1. Homogenización y aireación (cada 15 días): se homogenizó y aireó manualmente el contenido de cada unidad experimental en su propia bandeja.

2. Conformado (cada 15 días): una vez homogenizado y aireado se volvió a conformar la unidad experimental utilizando las plantillas creadas para la estandarización de las relaciones entre las dimensiones de la base, altura y ángulo de reposo de cada tratamiento.

3. Humectación (cada 4 días): A partir del porciento de humedad real de la unidad experimental, por balance de masa, se determinó el peso de agua a añadir para lograr el porciento de humedad de diseño. El agua se añadió con una regadera distribuyéndola uniformemente sobre todo el volumen de la unidad experimental.

4. Monitoreo de temperatura, humedad y pH (cada 7 días): Se realizó el monitoreo semanalmente.

5. Monitoreo de GyA e HTP (tiempo 0, 60, 90, 150 y 240 días): Se muestreó el contenido de cada unidad experimental para la determinación de la concentración de GyA e HTP por el método gravimétrico.

Evaluación de la cinética de la degradación de hidrocarburos

A partir de los datos experimentales del monitoreo se analizaron los comportamientos de las concentraciones de las fracciones de hidrocarburos investigadas (GyA e HTP) respectivamente, durante el tiempo 0, 60, 90, 150 y 240 días, para cada tratamiento. Asimismo, el comportamiento de la razón entre las concentraciones de las fracciones de hidrocarburos (GyA/HTP).

Los parámetros cinéticos de la degradación de las fracciones de hidrocarburos (GyA e HTP) fueron determinados a partir del siguiente protocolo:

Se determinó la eficiencia de remoción de las fracciones de hidrocarburos (GyA e HTP) para cada tratamiento, utilizando las ecuaciones 1 y 2 respectivamente.

donde:

: Eficiencia de remoción de GyA (%).

: Eficiencia de remoción de HTP (%).

: Concentración de GyA en el tiempo 0 días (mg/kg).

: Concentración de GyA en el tiempo 240 días (mg/kg).

: Concentración de HTP en el tiempo 0 días (mg/kg).

: Concentración de HTP en el tiempo 240 días (mg/kg).

Se graficaron las concentraciones obtenidas de las fracciones de hidrocarburos (GyA y HTP) durante el tiempo 0, 60, 90, 150 y 240 días, para cada tratamiento.

Se ajustaron los datos experimentales según los modelos matemáticos para las reacciones de orden cero, primer orden y segundo orden. ^15-16) Se determinó estadísticamente el modelo de mejor ajuste, definiéndose el orden de la reacción. Se obtuvo de los modelos la constante de velocidad de reacción (k).

Se determinó el tiempo de vida medio (t_1/2) o período de tiempo en que la concentración del analito disminuyó a la mitad de su concentración inicial.

Se elaboró un libro de cálculo de Microsoft Office Excel para los cálculos y gráficos correspondientes.

Resultados y discusión

Evaluación cinética de la degradación de hidrocarburos

En las figuras 2 y 3 se muestran los comportamientos de las concentraciones de las fracciones de GyA e HTP respectivamente, durante el tiempo (0, 60, 90, 150 y 240 días) para cada tratamiento. Se obtuvo una alta la degradación de hidrocarburos (GyA e HTP) en todos los tratamientos. El comportamiento de los órdenes de los tratamientos, con relación las concentraciones en el tiempo final, fueron muy similares para ambos analitos.

Fig. 2 Comportamiento de las concentraciones de GyA para cada tratamiento 

Fig. 3 Comportamiento de las concentraciones de HTP para cada tratamiento 

En la figura 4 se muestra el comportamiento de la razón entre las concentraciones de las fracciones de hidrocarburos investigadas (GyA/HTP), durante el tiempo (0, 60, 90, 150 y 240 días) para cada tratamiento, a partir de los datos del monitoreo.

Se constató que en el tiempo inicial la razón GyA/HTP por tratamientos se mueve en un rango de 2,37 a 2,51, en correspondencia con la propia composición del residual petrolizado utilizado. Asimismo, se observó una tendencia en general de disminución de esta razón desde el tiempo inicial hasta el tiempo final, momento en que la razón GyA/HTP se movió en un rango de 1,87 a 2,12. Los tratamientos bagazo, serrín y Thalassia testudinum tuvieron mayores porcientos de reducción en la razón GyA/HTP, del orden de 23,37 %, 23,16 % y 22,89 % respectivamente; mientras que el tratamiento estiércol vacuno fue el de menor reducción con 17,01 %. Solo en el tratamiento cachaza en el tiempo 60 días mostró inestabilidad apreciable.

Fig. 4 Comportamiento de la razón GyA/HTP para cada tratamiento en el tiempo 

En la figura 5 se muestra el comportamiento de la razón GyA/HTP para cada tiempo y tratamiento. En el tiempo inicial la razón media de GyA/HTP para todos los tratamientos fue de 2,47 y en el tiempo final fue de 1,97, para un 20,30 % de reducción de esa razón. Las mayores inestabilidades se observaron en los tiempos 60 y 90 días.

Fig. 5 Comportamiento de la razón GyA/HTP para cada tiempo y tratamiento 

En la figura 6 se muestran las eficiencias de remoción de las fracciones de hidrocarburos investigadas (GyA e HTP), entre los tiempos inicial y final (0 y 240 días) para cada tratamiento.

Fig. 6 Eficiencias de remoción de las fracciones de hidrocarburos investigadas (GyA e HTP) para cada tratamiento 

Se lograron eficiencias de remoción de GyA superiores al 50,00 % en todos los tratamientos, con un rango entre 50,05 % y 66,08 %. El mejor comportamiento por tratamientos fue estiércol vacuno, Thalassia testudinum, pulpa de café, bagazo, serrín y cachaza respectivamente.

En el caso de los HTP las eficiencias de remoción fueron iguales y superiores al 40,00 % en todos los tratamientos, con un rango entre 40,00 % y 59,12 %. El comportamiento del orden de los tratamientos fue estiércol vacuno, Thalassia testudinum, pulpa de café, bagazo, cachaza y serrín respectivamente.

Las eficiencias de remoción obtenidas son coherentes con los resultados reportados en otras investigaciones, que han evaluado el efecto de los texturizantes sobre la eficacia de la biorremediación de hidrocarburos; ^17,18,19 atribuyéndoles estos los beneficios debido al aporte de nutrientes y flora microbiana, a mejoras en la porosidad y la aireación, y la retención de humedad.

Los niveles de remoción de hidrocarburos obtenidos, para las condiciones de la investigación, aseguran el cumplimiento de las normas de disposición final del residuo investigado.²⁰ Los resultados a escala de banco confirman la pertinencia de la ecotecnología.

En las tablas 1 y 2 se muestran los resúmenes de los modelos cinéticos ajustados y sus principales parámetros: Coeficiente de determinación (R²), constante de velocidad de degradación (k) y tiempo de vida medio (t_1/2) para GyA e HTP respectivamente.

Tabla 1 Resumen de los modelos cinéticos ajustados y sus principales parámetros para GyA 

Tabla 2 Resumen de los modelos cinéticos ajustados y sus principales parámetros para HTP 

Se constató que la cinética de la degradación de hidrocarburos (GyA e HTP) para todos los tratamientos, excepto los HTP en el tratamiento serrín, se ajusta mejor al modelo de segundo orden. Lo anterior fue validado por los mayores coeficientes de determinación (R²); explicando, en el porcentaje correspondiente, la variabilidad en los datos experimentales.

Para las GyA el R² del modelo de segundo orden se movió en un rango de 0,94 a 0,99. El mejor ajuste, la mayor constante de velocidad de degradación y el menor tiempo de vida medio (t_1/2) lo tuvo el tratamiento estiércol vacuno. Para el resto de los tratamientos no se aprecia una diferencia marcada en la constante de velocidad de degradación y el menor tiempo de vida medio (t_1/2).

Para los HTP, el R² del modelo de segundo orden se movió en un rango de 0,81 a 0,974. Solo los tratamientos bagazo y cachaza tuvieron R² por debajo del 92 %. El tratamiento serrín tuvo una R² de 0,97. El mejor ajuste lo tuvo el tratamiento Thalassia testudinum y muy próximo fue el del tratamiento estiércol vacuno. El tratamiento estiércol vacuno también tuvo una mayor constante de velocidad de degradación y el menor tiempo de vida medio (t_1/2). Le siguen los tratamientos bagazo, pulpa de café y Thalassia testudinum con igual constante de velocidad de degradación, pero en ese orden según el t_1/2.

Los resultados son coherentes con investigaciones precedentes ^21-26) donde se reconoce que la cinética de hidrocarburos en la biorremediación se ajusta en su mayoría a cinéticas de primer orden y segundo orden. El comportamiento de segundo orden puede ser explicado a partir de la naturaleza compleja del residual petrolizado investigado, y por la ocurrencia de los complejos mecanismos bioquímicos de la biorremediación de los hidrocarburos.^10,27,28,29)

Conclusiones

1. Se obtuvieron altas eficiencias de remoción de hidrocarburos (GyA e HTP) para todos los texturizantes. El estiércol vacuno fue el tratamiento con mayor porcentaje, del orden de 66,08 % y 59,12 % respectivamente.

2. La cinética de la degradación de hidrocarburos (GyA e HTP) tuvo un mejor ajuste al modelo de segundo orden, explicado a partir de la naturaleza compleja del residual petrolizado investigado, y por la ocurrencia de los complejos mecanismos bioquímicos de la biorremediación de los hidrocarburos en la ecotecnología de biopilas.

3. La investigación aportó criterios técnicos para la selección del texturizante a utilizar en la optimización y escalado de la ecotecnología.

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28.  FIGUERAS, A., LORA-TAMAYO, E., TINTORÉ, J., PERÉZ, F. F., ALBAIGÉZ, J., SANCHÉZ, F., DURADO, M. A., RODRÍGUEZ, E. E. y PADÍN, R. H.. Biorremediación, pseudoproblemas, problemas y una experiencia. En su: Las lecciones de la catástrofe del Prestige28.  . Madrid, España: Consejo Superior de Investigaciones Científicas. 2005.180 p. ISBN 978-84-00-08408-0.

29.  NÚÑEZ, R. R., CABRANES, Y., ORTIZ, E., GONDRES, R., MARTÍNEZ, C., MARTÍNEZ, J. Cinética de degradación del naftaleno por células inmovilizadas húmedas de Bacillus alcalophilus cepa IDO-225. Revista CENIC. Ciencias Biológicas29.  [en línea]. 2004, 35(2), 77-82. [Consulta: 13 de junio de 2018]. ISSN 0253-5688. Disponible en: Disponible en: https://www.redalyc.org/articulo.oa?id=181226079003 29.

Recibido: 18 de Septiembre de 2020; Aprobado: 10 de Enero de 2021

^*Autor para la correspondencia. correo electrónico: [e-mail]

Los autores declaran que no existen conflictos de intereses

Omar Gutiérrez Benítez:Participación en la planeación y realización del diseño de experimentos. Elaboración de los protocolos para el diseño ingeniero y el montaje de las unidades experimentales, y para la evaluación de la cinética de la degradación de hidrocarburos. Ejecución y validación del balance de masa a nivel de unidades experimentales y de los cálculos ingenieros. Participación en el acondicionamiento del polígono experimental, y en las campañas de montaje y muestreo de las unidades experimentales. Participación en el análisis de los resultados del diseño de experimentos. Ejecución de la evaluación de la cinética de la degradación de hidrocarburos. Escritura y corrección del manuscrito del artículo.

David Javier Castro Rodríguez: Ejecución de la planeación y realización del diseño de experimentos. Elaboración del protocolo para el diseño de experimentos. Elaboración de la distribución en planta. Participación en el acondicionamiento del polígono experimental, y en las campañas de montaje y muestreo de las unidades experimentales. Ejecución del análisis de los resultados del diseño de experimentos. Oponencia del manuscrito.

Orlando Manuel Viera Ribot: Participación en la elaboración de otros protocolos utilizados en la fase experimental del proyecto Biopilas. Caracterización fisca y química de los materiales de la biopila. Participación en el acondicionamiento del polígono experimental, y en las campañas de montaje y muestreo de las unidades experimentales. Ejecución del monitoreo de las unidades experimentales. Participación en el análisis de los resultados del diseño de experimentos.

Enmanuel Casals Pérez: Participación en la elaboración de otros protocolos utilizados en la fase experimental del proyecto Biopilas. Participación en el acondicionamiento del polígono experimental, y en las campañas de montaje y muestreo de las unidades experimentales.

Dayana Rabassa Rabassa: Participación en la elaboración de otros protocolos utilizados en la fase experimental del proyecto Biopilas. Participación en el acondicionamiento del polígono experimental, y en las campañas de montaje y muestreo de las unidades experimentales. Revisión del manuscrito del artículo.