Tratamiento y reutilización de aguas residuales en refinerías de petróleo

• 1. Contaminantes en las aguas residuales de industrias petroquímicas y refinerías de petróleo                                                                      
• 2. Plantas de tratamiento de aguas residuales para refinerías de petróleo 
• 3. Uso de los sistemas de flotación por aire disuelto (DAF)
• 4. Conclusión

Las plantas petroquímicas y las refinerías de petróleo consumen importantes cantidades de agua. Estos son los principales usos que se da al agua en estas instalaciones:

• Refrigeración de equipos y procesos.
• Generación de vapor.
• Inyección en yacimientos.
• Lavado de depósitos y equipos.
• Tratamiento del crudo y otros materiales durante el proceso de refinado.

La industria petroquímica es muy exigente con los controles, normas y protocolos medioambientes que sigue, ya que las aguas residuales que produce tienen una alta carga contaminante. Por este motivo, las refinerías de petróleo disponen de plantas de tratamiento de aguas in situ que mitigan el impacto ambiental de sus efluentes residuales. Estas plantas utilizan diversos procesos físicos, químicos, biológicos y de filtración, entre otros, para eliminar los contaminantes de las aguas residuales antes de verterlas o reutilizarlas en otras partes de la refinería.

Por otra parte, la escasez de agua que se da en los alrededores de algunas refinerías de petróleo obliga a tomar medidas para reutilizar la mayor parte posible de las aguas residuales.

1. Contaminantes en las aguas residuales de las industrias petroquimicas y refinerías de petróleo

Las refinerías de petróleo producen grandes volúmenes de aguas residuales durante sus operaciones. Estos efluentes contienen diversos tipos de contaminantes, incluidos los compuestos orgánicos, los metales pesados y otras sustancias tóxicas.

En una refinería de petróleo se producen distintos tipos de efluentes:

• Agua desaladora (lavado del crudo)
• Agua agria (de procesos con crudo)
• Agua de proceso (lavado de producto, regeneración de catalizadores)
• Cáusticos gastados (difíciles de tratar)
• Fondos de tanques (sedimentos)
• Agua de purga (de torres de enfriamiento)
• Subproductos del tratamiento (lodos, rechazo de ósmosis, regeneración de resinas)
• Aguas pluviales (que pueden reutilizarse)
• Agua de lastre (requiere tratamiento para evitar enfermedades y especies invasoras)

Las principales fuentes de aguas residuales en las refinerías de petróleo son las siguientes:

• Refrigeración de equipos y maquinaria.
• Lavado de depósitos y otros equipos.
• Procesamiento de petróleo crudo y otros materiales.
• Las aguas residuales también pueden contener subproductos del proceso de refinado, como los lodos, que requieren tratamiento y eliminación posteriores.

Los vertidos de las refinerías de petróleo contienen importantes concentraciones de hidrocarburos, aceites y grasas, que producen una elevada DQO y, por lo tanto, un déficit de O₂ en el agua.

Entre los compuestos presentes en estas aguas residuales, destacan los siguientes:

• El benceno, el tolueno y el xileno, que son compuestos orgánicos volátiles (COV) que se utilizan en los procesos de refinado y que pueden encontrarse en las aguas residuales procedentes de los equipos de refrigeración y procesamiento. Estos compuestos son cancerígenos, y pueden causar problemas respiratorios, entre otros problemas de salud en los seres humanos.
•  Los hidocarburos aromáticos policíclicos (HAP), que son compuestos orgánicos formados durante el proceso de refinado y que se encuentran en las aguas residuales procedentes de los equipos de refrigeración y procesamiento. Son cancerígenos y pueden dañar la vida acuática al alterar los sistemas reproductivo e inmunitario de los peces y otros organismos. 
• Los metales pesados como el plomo, el mercurio, el cadmio y el cromo, que se encuentran en las aguas residuales procedentes de la limpieza de equipos y del agua de proceso. Se pueden acumular en los organismos acuáticos y causar problemas neurológicos y de desarrollo en los seres humanos.  
• El amoníaco y compuestos nitrogenados, que se están presentes en las aguas residuales de los equipos de refrigeración y procesamiento. Pueden dañar la vida acuática al reducir los niveles de oxígeno en el agua.                                                                                
• Los sulfuros, presentes en las aguas residuales de los procesos de refinado. Pueden ser tóxicos para la vida acuática, causando la muerte y reduciendo las tasas de crecimiento.                                                      
• Compuestos clorados, como los bifenilos policlorados (PCB), las dioxinas y los furanos, que están presentes en las aguas residuales de los equipos de refrigeración y procesamiento. Son compuestos muy tóxicos y pueden provocar cáncer y otros problemas de salud en los seres humanos y los animales.

2. Plantas de tratamiento de aguas residuales para refinerías de petróleo

Las refinerías de petróleo necesitan procesos complejos para el tratamiento de sus vertidos. El objetivo es reducir las cargas contaminantes hasta los niveles exigidos por ley, o bien, reutilizar el agua tratada dentro de la propia industria, como agua de servicio e incluso como agua de proceso.

Una planta para el tratamiento de las aguas residuales de una refinería de petróleo acostumbra a contar con varias etapas:

• Tratamiento preliminar: en esta fase se eliminan los sólidos y residuos de gran tamaño de las aguas residuales, como rocas, grava y grandes piezas de equipos. Para ello se suelen utilizar tamices, desarenadores y depósitos de sedimentación.                                                     
• Tratamiento primario: esta fase consiste en eliminar los sólidos en suspensión y parte de la materia orgánica de las aguas residuales. Para ello se suelen utilizar separadores de hidrocarburos, sistemas de flotación por aire disuelto (DAF), o depósitos de sedimentación, donde los sólidos flotan a la superficie para ser separados como lodos.
• Tratamiento secundario: consiste en eliminar la materia orgánica disuelta y otros contaminantes de las aguas residuales. Para ello se llevan a cabo generalmente procesos de tratamiento biológico, como los lodos activados, los filtros percoladores, o los sistemas MBR, que utilizan microorganismos para descomponer los contaminantes.                                                          

• Tratamiento terciario: en esta fase se realiza un tratamiento avanzado del efluente, con el objetivo de conseguir la calidad necesaria para verter, o bien para poder reutilizar el agua. En este punto es donde se aplican las tecnologías más sofisticadas como la filtración a distintos niveles (micro/ ultra/ nano) incluso llegando a la osmosis inversa, las resinas de intercambio iónico, o la evaporación para las aguas más exigentes.       
• Esterilización de vertidos: con anterioridad al vertido final, los efluentes suelen ser sometidos a un tratamiento de esterilización, bien mediante oxidantes, o con radiación UV.
• Tratamiento de lodos: los lodos que se generan en las distintas fases de tratamiento preliminar y primario se tratan generalmente por separado de las aguas residuales. Estos lodos se pueden espesar y deshidratar y, a continuación, se realiza un tratamiento posterior, como la digestión, el compostaje o la incineración. Los lodos procedentes del tratamiento biológico se suelen tratar por separado (digestión, secado mecánico o térmico).

DIAGRAMA DE PROCESO PARA EL TRATAMIENTO DE EFLUENTES DE LA INDUSTRIA PETROQUÍMICA

LINEA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE REFINERÍAS DE PETRÓLEO CON RECUPERACIÓN DE AGUA

A continuación, se muestra una línea de tratamiento para la reutilización de las aguas residuales generadas por una industria petroquímica. Esta solución permite minimizar tanto el consumo de agua bruta, como el impacto medioambiental.

DIAGRAMA DE FLUJOS

El sistema se ha diseñado para un caudal de 100 m³/h, del cual se pretende recuperar agua para servicios generales y para procesos industriales.

La flotación por aire disuelto (DAF) es fundamental para la separación de sólidos en suspensión (TSS), aceites y grasas, que suponen un riesgo para el correcto funcionamiento de los sistemas de recuperación de agua mediante membranas (UF/NF/RO).

Como vemos, existen diferentes etapas de filtración. La selección de las membranas adecuadas dependerá del tamaño y las características de los contaminantes presentes en el efluente. Normalmente, se recomienda incluir una etapa de microfiltración antes de la ultrafiltración y la ósmosis inversa, a fin de separar los restos de sólidos disueltos que pudieran ensuciar las membranas.

PARAMETROS ESPERADOS EN LINEA DE TRATAMIENTO DE VERTIDOS DE INDUSTRIA PETROQUÍMICA CON RECUPERACIÓN DE AGUA

La siguiente tabla muestra, de forma orientativa, los valores que presentan los distintos contaminantes en cada etapa del proceso de tratamiento.

Parámetro	Unidad	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
Caudal	m3/h	100	98	95	95	90	5	10	105	25	130	125	10	100	15
pH	–	6,5-8	6,5-8	7-7,5	6,5-7	6,5-7	7,5	8	7-8	7-8	7-8	7-8	7-8	6-7	7
TSS	mg/l	600	450	≤50	≤100	≤40	–	200	≤50	≤10	≤5	≤1	≤1	≤0,1	≤5
Turbidez	N.T.U.	≥500	≤300	≤50	≤100	≤20	–	40	≤30	≤5	≤2	≤0,1	≤0,1	≤0,1	≤0,5
Aceites y grasas	mg/l	450	≤100	≤10	≤5	≤2	–	≤10	≤2	≤1	≤1	≤0,1	≤0,1	≤0,1	≤0,1
DQO	mg/l	≤10000	≤8000	≤5000	≤1000	≤500	20	≤500	≤500	≤10	300	≤100	≤10	≤1	≤5
NTK	mg/l	20	20	20	10	10	≤10	≤10	≤10	≤5	≤10	≤10	≤10	≤5	≤20
Conductiv.	µS/cm	3000	3000	3000	3000	3000	6000	3000	4000	1500	3000	3000	3000	≤200	≤15000
Fenoles	mg/l	60	≤50	≤30	10	10	–	50	15	≤1	≤10	≤1	≤5	≤0,1	≤10
Ca++	mg/l	90	90	90	90	90	180	90	100	50	90	90	90	≤5	≤400
Mg++	mg/l	40	40	40	40	40	80	80	50	20	40	40	40	≤2	≤200
HCO3–	mg/l	150	150	150	150	150	300	150	200	100	150	150	150	≤20	≤600
SO4-2	mg/l	300	300	300	300	300	600	300	400	200	300	300	300	≤20	≤1000
Cl–	mg/l0	500	500	500	500	500	1000	500	400	250	500	500	500	≤50	≤3000

3. USO DE LOS SISTEMAS DE FLOTACIÓN POR AIRE DISUELTO (DAF)

La flotación por aire disuelto (DAF) es un proceso comúnmente utilizado en refinerías de petróleo, plantas petroquímicas y químicas para la separación de los contaminantes presentes en sus efluentes.

Actuando como unidad de clarificación primaria, los sistemas DAF ofrecen el siguiente rendimienteo:

• Eliminación del 90 al 95 % en TSS.
• Eliminación de aceites y grasas del 95 al 99 %.
• Excelentes resultados en la reducción de la Demanda Química de Oxígno (DQO), presente en la grasa, aceite, lodos biológicos, materia orgánica coloreada y material coloidal.

La flotación por aire disuelto también puede ser aplicada para:

• Espesamiento de lodos.
• Clarificación secundaria después de un tratamiento biológico. En este caso, el sistema DAF se utiliza para eliminar cualquier resto de sólidos, aceites y grasas que no se hayan eliminado en las fases de tratamiento primario y secundario.

Para que un sistema DAF funcione de manera eficiente, el agua residual debe someterse a un proceso de coagulación-floculación antes de ingresar en el equipo de flotación por aire disuelto. Si este proceso físico-químico previo no se lleva a cabo, o si no se diseña correctamente, el rendimiento de la unidad DAF se verá afectado negativamente.

La etapa de tratamiento de las aguas residuales de una refinería de petróleo mediante flotación por aire disuelto sigue los siguientes pasos:

• Pretratamiento: las aguas residuales de la refinería se someten primero a fases de tratamiento preliminar para eliminar los sólidos de gran tamaño. A continuación, se criban las aguas residuales para eliminar cualquier resto de partículas grandes. A continuación, se suele pasar a un sistema previo de tipo API o CPI donde se separan por densidad la mayor parte de los hidrocarburos y aceites presentes de fácil separación.
• Acondicionamiento químico: para mejorar el rendimiento del sistema DAF, se lleva a cabo un proceso de coagulación-floculación que aglutina los contaminantes y se emplean agentes químicos para optimizar los niveles de pH. Dependiendo de la naturaleza de los contaminantes presentes en las aguas residuales, se pueden utilizar diversos productos químicos, como el cloruro férrico, el sulfato de aluminio o los polímeros. De esta forma, se consigue aglutinar los aceites, grasas y materiales dispersos en el agua, que están en forma coloidal o finamente peptizados.            
• Operación DAF: Posteriormente, las aguas residuales se bombean a un sistema DAF, donde se inyecta aire comprimido en el depósito, lo que provoca la formación de micro-burbujas que se adhieren a las partículas floculadas, las cuales flotan en la superficie y forman una capa de lodo. 
• Eliminación de lodos: la capa de lodo en la superficie del depósito DAF se barre mediante un mecanismo de espumado y se recoge en un depósito de lodo separado para su posterior tratamiento. Seguidamente, el agua clarificada es conducida a la siguiente fase del proceso de tratamiento.

TIPOS DE SISTEMAS DAF

Sigmadaf fabrica diferentes modelos de sistemas DAF para el sector petrolero.

Los modelos FPHF y FPBC pueden operar como una unidad de alta carga hidráulica gracias a una área de superficie de flotación más baja. Incluyen un paquete de lamelas para mejorar el proceso de separación. El FPBC puede tratar de 10 a 250 m3/h, mientras que el FPHF opera en el rango de 300 a 1000 m3/h.

El modelo FPAC es una unidad sin lamelas para tratar altas carga de sólidos. Es ideal para tratar aguas con alta concentración de sólidos. Estos modelos pueden construirse en tanques de hormigón si la capacidad de tratamiento supera los límites que se pueden tratar con las unidades construidas en acero inoxidable.

4. Conclusión

Las aguas residuales procedentes de las industrias petroquímicas contienen una elevada concentración de materia orgánica y restos de hidrocarburos, aceites y grasas. La creciente tendencia a la reutilización de agua en las refinerías obliga a diseñar plantas de tratamiento de aguas residuales eficientes y fiables.

Una parte importante de estos contaminantes están en forma coloidal (TSS), lo que exige un acondicionamiento químico de coagulación / floculación, con su correspondiente ajuste de pH. El sistema DAF, y en particular, los equipos que provee SIGMADAF, están especialmente diseñados para facilitar la separación y el barrido de estos agentes, con un nivel de eficiencia que minimiza los riesgos de fugas.