1 INSTITUTO COLOMBIANO DEL PETROLEOEMPRESA COLOMBIANA DE PETROLEOS BIO-REMEDIACION DE AGUAS Y SUELOS CONTAMINADOS CON HIDROCARBUROS DIVISIÓN DE TECNOLOGÍAS COMPLEMENTARIAS

2 Evaluación de tecnologías Selección de tecnología * Medio Biorremediación de aguas y suelos contaminados con hidrocarburos Evaluación de tecnologías Selección de tecnología * Medio * Contaminante: - Volatilidad - Movilidad - Biodegradabilidad Protocolo para biorremediación

3 Caracterización del sitio/ Estudio de TratabilidadFigura 1. Protocolo para biorremediación de suelo contaminado Caracterización del sitio/ estudio Factibilidad Estudio de Tratabilidad Diseño Evaluación de aplicabilidad del proyecto de biorremediación Propiedades del contaminante. Propiedades químicas del sitio. Propiedades físicas del sitio. Propiedades microbiológicas del sitio. Seleccione: Método de biorremediación (in situ o ex-situ). Aceptor de e- y la trayectoria metabólica. Determine el criterio de diseño Cinética de biorremediación. Factibilidad y obtención del punto final. Parámetros y costos de la implementación a full escala. Definir: Aproximaciones del tratamiento. para contener todas las fases. Planos y especificaciones. Contratistas. Diseño: Tuberías y estructuras de contención. Concentración de nutrientes y velocidades de carga. Sistema de entrega del aceptor de e- y nutrientes.

4 Caracterización del área contaminadaTipo de suelo basado en el sistema USC Símbolo del grupo Grupo de Clasificación Arcilla %w Limo %w Grava %w Arena %w Muestra Fino Medio Grueso Suelo área afectada SM Franco-limoso 18.0 20.0 11.1 36.9 8.1 5.9 Composición de la fracción arcillosa Clay Fraction (%W) Muestra Esmetita Cloritas Illitas Vermiculita Interestratificado Caolinita Cuarzo Suelo área afectada 8 3 20 15 49 5

5 Características de las muestras de suelo limpio y contaminadoAnálisis Suelo limpio Suelo contaminado pH: Ca Cl M pH agua Humedad %w COT %w CIC1, mequiv/100g Nitrógeno, mg/kg Fósforo, mg/kg Materia Orgánica %w TPH, %w 3.56 ± 0.01 4.04 ± 0.05 2.24 ± 0.12 1.77 4.24 19.855 3.54 N.A. 6.91 ± 0.06 7.31 ± 0.02 2.57 ± 0.6 10.495 6.47 9.972 19.24 6.52 ± 0.073

6 Aislamiento de Degradadores de Polinucleares de Bajo Peso Molecular - Vía Rápida

7 Metodología Analítica

8 HIDROCARBUROS TOTALES (31.5%)Caracterización Lodo Carboquímica COMPOSICIÓN BÁSICA 31.5 % RESINAS ASFALTENOS AROMATICOS SATURADOS 74.4 % (24,13) 3.7 % (1,2) HIDROCARBUROS TOTALES (31.5%) 13.9 % (4,5) 8.0 % (2,6) 34.8 % 33.7 % AGUA SÓLIDOS T.P.M. FRACCION AROMATICAS (24.13 %) 20 % (4,87) 59 % (14,43) 20 % (4,87) DESCONOCIDO PAH's (US-EPA) FTALATOS

9 Montaje Experimental

10 Evaluación de la Toxicidad del ResiduoTOXICIDAD DE LA FASE SÓLIDA DIRECTA EC100 = 12,5% LODO NEMATODO “PANEGRELLUS REDIVIVUS” PESO DE MUESTRA NAHTALENE METYLNAPHTHALENE ACENAPHTHALENE ACENAPFTHENE FLUORENE PHENANTHRENE ANTHRACENE FLUORANTHENE PYRENE BENZO (a) ANTHRACENE CRYSENE BENZO (a) FLUORANTHENE BENZO (k) FLUORANTHENE BENZO (a) PYRENE INDENO (1,2,3 - cd) PYRENE BIDENZO (a,h) ANTHRACENE BENZO (g,h,i) PERYLENE BUTHYLPHTHALATE OCTYLPHTHALATE TOTAL PAH’s TOTAL PHTALATES 0,5 g. * TOXICIDAD = 0% Sobreviviente GENOTOXICIDAD = 0% Maduros 0,0625 g. ** TOXICIDAD = 67% Sobreviviente GENOTOXICIDAD = 21% Maduros * Completamente Tóxico ** Muy Genotóxico ASISTENCIA TÉCNICA INTERNACIONAL

11 Seguimiento de la Biodegradación de PAH’s

12 Diseño y construcción Sistema de Pretratamiento

13 La Ciénaga Aceitosa No. 6 del Complejo Industrial deGENERACIÓN DE RESIDUOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA La Ciénaga Aceitosa No. 6 del Complejo Industrial de Barrancabermeja en 1984

14 Configuración típica de una fosa de acumulación de residuos aceitososFASE ACEITE (SLOP OIL) (BSW %) EMULSION DE AGUA EN ACEITE (BSW 5-40%) AGUA ACEITOSA (0-20% de aceite y sólidos) AGUA CONTAMINADA Contenido de Aceite < 1% SUSPENSION DE LODO (BOMBEABLE-Contenido de agua del 50-80%) SUELO CONTAMINADO LODO ACEITOSO (No Bombeable)

15 Tratamiento y recuperaciónde slop oil Deshidratación Gravitacional Esquema General de la Planta de deshidratación Proyecto Ciénaga 6 Deshidratación Térmica Piscinas de Succión Deshidratación Química Deshidratación Electrostática Entrega de producto a Refinería Almacenamiento

16 Tratamiento y recuperaciónde slop oil Planta de tratamiento de slop. Proyecto Ciénaga 6

17 Lavado Emulsionado: Principio del proceso

18 Lavado Emulsionado: Esquema de proceso

19 Lavado Emulsionado: Estudios a nivel piloto Centrífuga Piloto ICP

20 Experiencia industrial de Ecopetrol ICP:Ciénaga aceitosa No. 6 del CIB Diciembre de 1.993 Diciembre de 1.997

21 Experiencia industrial de Ecopetrol ICP:Ciénaga aceitosa No. 6 del CIB Diciembre de 1.993 Diciembre de 1.997

22 TRATAMIENTO DE AGUAS

23 Piscinas de sedimentación para tratamiento de aguas en campoAguas contaminadas Piscinas de sedimentación para tratamiento de aguas en campo

24 Oxigenación mediante boquillas eyectoras

25 Biodegradación de Fenoles PTAR - Refinería de BarrancabermejaTratamiento biológico de aguas residuales industriales Biodegradación de Fenoles PTAR - Refinería de Barrancabermeja

26

27 Refinería de CartagenaSistema de aireación en biorreactores Sistema de oxigenación utilizando boquillas inyectoras Refinería de Cartagena.

28 TENDENCIAS DE BIORREMEDIACION Disminución de residuos en la fuenteSegregación de corrientes Reuso de corrientes Combinación de diferentes tecnologías

29 Objetivo: Beneficios: Biofiltro para el Tratamiento Integralde Aguas de Producción Objetivo: Proveer una tecnología para el tratamiento integral de efluentes de producción en superficie. Beneficios: Remoción de Bario y otros metales pesados de aguas con eficiencias del 98%. Biodegradación de fenol con eficiencias del %. Bajos requerimientos de inversión. Pretratamiento efectivo para la solución de problemas de incompatibilidad de aguas. Mejoramiento del calida ambiental del efluente. Tecnología Biológica de punta.

30 Descripción de la TecnologíaBiofiltro para el Tratamiento Integral de Aguas de Producción Descripción de la Tecnología Componentes Abióticos 1. Diseño de las celdas . 2. Distribución de las Celdas en el sistema TAPETE DE ALGAS Y BACTERIAS SEGMENTO A SEGMENTO B 1 2 Componentes Biológicos: 1. Cianobacterias . 2. Bacterias oxidadoras de sulfuros . 3. Bacterias Biodegradadoras. 3 Localización del Biofiltro en la planta de tratamiento de aguas Operaciones de separación y sedimentación AGUA TRATADA

31 Descripción de la TecnologíaBiofiltro para el Tratamiento Integral de Aguas de Producción Descripción de la Tecnología Los costos de Instalación de la tecnología pueden ser estimados de la siguientes relación : Costo estimado en US = 250 M Donde M es el número de metros cúbicos/día a tratar Se deben tener en cuenta los siguientes puntos: Los costos de aplicación de la tecnología resultan favorables para efluentes mayores a 90 m3/día. La tecnología es Viable para efluentes menores a 1000 m3 / día Los costos son modificables de acuerdo a las facilidades de cada unidad de producción.

32 Tratamiento segregado de aguas agriasSistemas inmovilizados Ventajas: Altas concentraciones celulares Reuso de la biomasa Disminución en costos No hay lavado del sistema Flexibilidad en el diseño Desventajas: Limitaciones difusionales Estabilidad mecánica de la matriz

33 Análisis de Restricción- ADNr 16 S Consorcio degradador de fenolRsa I Hae III Rsa I Hae III MP MP MP MP 1500 pb 1500 pb 1000 pb 1000 pb 500 pb 500 pb 200 pb 200 pb Consorcio 2000-GCB Consorcio 1997-GCB Análisis de Restricción del ADNr 16S de cepas consorcios fenol. MP Marcador de peso molecular 100 pb. 1. ICP 70 ; 2. ICP 244; 3. ICP 245; 4. ICP 246; 5. ICP 70; 6. ICP 244; 7. ICP 245; 8. ICP 246 ; 9. Fragmento sin digerir; 10. ICP 16; 11. ICP 18; 12. ICP 21; 13. ICP 16; 14. ICP 18; 15. ICP 21.

34 Evaluación de soportes para inmovilizaciónAspectos considerados en la selección del soporte - Inmovilización de Biomasa - Actividad de degradación - Costos - Resistencia - Manipulación - Volumen útil 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Soporte, gr Gravilla Malla Fibra Nylon Anillo Jacger Tipo de soporte Gramos de Soporte para 10E7 UFC

35 Investigación Biotecnológica en Degradación de Residuos - Producción Enzima Lacasa en FESAumentar Producción Producción de caldo enzimático crudo: Act. Lacasa inicial: 12 U/mL Evaluando optimización de condiciones ambientales en el reactor: 26 U/mL en 15 días Evaluación de cofactores nutricionales 33 U/mL

36 Efecto de la concentraciónInvestigación Biotecnológica en Degradación de Residuos - Oxidación de Fenol en Matriz Dopada Efecto de la concentración de sustrato Efecto del pH 20 40 60 80 100 5 10 15 25 30 Tiempo de reacción, h Remoción de fenol, % 25 ppm 100 ppm 93,86R % CV,1.40% 79.48%R CV,2.36% 77.38%R CV, 2.71% 400 ppm Condiciones: pH de reacción 5.0 (buffer citrato-fosfato 50 mM), sin adición de aire, 5 U/mL de Lacasa cruda y fenol a 25, 100 y 400 ppm. Condiciones: 400 ppm de fenol,sin adición de aire, con 5 U/mL de Lacasa cruda a tres pH de reacción 3.5, 5.0 y 7.0 (buffer citrato-fosfato 50 mM) .

37 Efecto de la estrategia de adiciónInvestigación Biotecnológica en Degradación de Residuos - Oxidación de Fenol en Matriz Dopada Efecto de la estrategia de adición de la enzima A Condiciones de reacción: pH de reacción 5.0 (buffer citrato-fosfato 50 mM),fenol a 25, 100 y 400 ppm y 5 U/mL de Lacasa cruda adicionada en dos estrategias. AD1: adición de la concentraciónde enzima de 5U/mL, 3mL,al tiempo cero de reacción. AD2: adición fraccionada de la enzima así: 1.5 mL (0h), 0.5 mL(1h), 0.5 mL (2h) y 0.5 mL(4h). 25 ppm B 20 40 60 80 100 5 10 15 25 30 Tiempo de reacción, h Remociòn de fenol AD1 AD2 93.86%R CV,1.40% 92.05%R CV,5.08% 400 ppm C 100 ppm

38 Investigación Biotecnológica en Degradación de Residuos - Oxidación de Fenol en Matriz RealCondiciones: Agua agria de pH 7.3 oxidada con 5 U/mL de lacasa cruda adicionada en estrategia, AD3, 1.5mL (0h), 1mL(6h) y 0.5 mL (8h). Volumen de reacción 15mL. AA 0h AA 6h Tiempo horas Promedio CV Remoción, % % 248.35 0.00 1 213.60 207.60 13.99 16.41 15.20 11.24 2 188.30 188.00 24.18 24.30 24.24 0.35 4 164.60 155.79 33.72 37.27 35.50 7.07 6 117.50 126.10 52.69 49.22 50.96 4.81 12 36.48 39.31 85.31 84.17 84.74 0.95 24 0.48 0.51 99.81 99.79 99.80 0.01 48 0.39 99.84 Agua Agria AD3 248.36 Concentración Remoción ppm (mg/L) AA 24h AA 48h

39 Investigación Biotecnológica en Degradación de Residuos - Oxidación de FenolEnzima utilizada C. enzima Concentración Tiempo Remoción, Referencia U/mL fenol, ppm h. % Caldo crudo lacasa, 5 16.89 24 >98.63 Lab. Botecnología, (a) P.ostratus 5 241.15 24 99.81 ICP.2000 Caldo crudo, Coriolus 330 50 24 81.3 Kadhim, et al , 1999 (b) versicolor 10 50 24 5 Tirosinasa, Sigma 250 400 24 94 Atlow, et al , 1984 (c) Extracto pfdo 300 100 5 99 Peroxidasa de rábano 1 100 3 85.3 * Klibanov, et al , 1980 (d) Sigma chemical Co. * Necesita de H2O (a) Matriz real (b)Matriz dopada (c) Matriz real (d) Matriz dopada

40 Coeficiente de partición octanol agua, kow---Hidrofobicidad:Kow<10 hidrofílico, alta solubilidad en agua, compuesto móvil Kow> hidrofóbico, se acumula, inmóvil Coeficiente de adsorción suelo/agua, Kd: Kd difícil adsorción Kd fácil adsorción