Revista CENIC Ciencias Biológicas, Vol. 46, No. Especial, pp. 410-415, septiembre-diciembre, 2015.

Biodegradacion de hidrocarburos de lodos residuales de centros de autolavado con BFNA

Josefina Pérez-Vargas, Sergio Esteban Vigueras-Carmona, Noemí Araceli RiveraCasado*, Graciano Calva-Calva* Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec. Ingeniería Bioquímica. Av. Tecnológico S/N Col. Valle de Anáhuac, 55210, Ecatepec de Morelos, Estado de México, 50002300 ext 2375, [email protected], *Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional. Departamento de Biotecnología y Bioingeniería. Av. Instituto Politécnico Nacional No. 2508, Col. San Pedro Zacatenco 07360 México D.F., 57473800 ext. 4348, [email protected] Recibido: 22 de julio de 2015.

Aceptado: 30 de septiembre de 2015.

Palabras clave: aguas residuales tratadas, centros de lavado automotriz, bacterias fijadores de nitrógeno de vida libre, remoción de hidrocarburos. Key words: wastewater treatment, automotive centers, free-living nitrogen fixing bacteria, hydrocarbon removal.

RESUMEN. El problema de contaminación producida por los lodos provenientes de tratamiento del agua residual de los centros de lavado automotriz y el agua usada para lavar los autos (50-1000 litros por carro) son un serio predicamento. La disposición de los lodos residuales generados por las pequeñas plantas de tratamiento tiene el problema de los costos de disposición de residuos peligrosos. Los lodos residuales contienen una gran cantidad de hidrocarburos por esta razón se propuso tratarlos con bacterias fijadoras de nitrógeno de vida libre (BFNA). Los cultivos de BFNA fueron probados en biopilas con un alto contenido de hidrocarburos (120g de petróleo/ Kg de suelo contaminado) el suelo ha sido remediado en un periodo de 12 meses, por lo que se propuso usar estos cultivos de BFNA para el tratamiento de los lodos residuales. Se encontró que en un periodo de 8.5 días la cantidad de sólidos es reducida en un 70%, el color negro de los a las 48 horas de tratamiento en el sistema cerrado el color del líquido es amarillo claro, la remoción de los hidrocarburos totales disminuye un 90%. El tratamiento asegura la reducción de los sólidos totales y la disposición de estos sin ningún riesgo ambiental, con la ventaja de eliminar el costo de disposición de residuos peligrosos.

ABSTRACT. The contamination problem caused by sludge from wastewater treatment of automotive centers and water used for car wash (50-1000 liters per car) is a serious predicament. The disposal of sludge generated by use small treatment plants has the trouble of cost of disposal hazardous waste. The sludge has high hydrocarbon content because of these it was proposed to treat them with free-living nitrogen fixing bacteria (BFNA). BFNA cultures were tested in biopiles contaminated with hydrocarbons (crude oil 120 / kg soil) to remediate in a period of 12 months, it was proposed to use BFNA cultures for the treatment of the sludge. It was found that in 8.5 days 70% of the solids decreased, the sludge was almost black and during a 48 hours treatment in a system closed a yellowish clear liquid was

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Revista CENIC Ciencias Biológicas, Vol. 46, No. Especial, pp. 410-415, septiembre-diciembre, 2015. obtained, the total removal of hydrocarbons decreased to 90 %. This treatment ensures the reduction of total solids and disposal without any environmental risk, with the advantage of eliminating the costs for disposal of hazardous waste.

INTRODUCCIÓN México cuenta con una cantidad de 21, 837,271 vehículos1. Al menos el 70% de los dueños de estos automóviles los lavan una vez por semana, por lo que se puede considerar a los centros de lavado automotriz en México como grandes consumidores de agua, ya que la demanda de este servicio es alta y constante durante todo el año, debido a que ofrecen ahorro de tiempo para los usuarios. Esto ha permitido el crecimiento de servicios de autolavado debido a la gran demanda que ha surgido en los años recientes, por ello, el desarrollo de los servicios de autolavado, genera miles de metros cúbicos de agua contaminada por algunos derivados del petróleo como gasolina, aceite automotriz, limpiadores, líquidos refrigerantes, líquidos de frenos, anticongelantes, disolvente de limpieza de piezas, diesel, gasolina, desengrasantes, aceites y grasas lubricantes, champú, siliconas o ceras entre otros, como resultado del lavado de carrocerías y motores. Esto ha tenido consecuencias importantes en el aumento de la contaminación del agua que es un recurso natural no renovable, la mayoría de estas pequeñas empresas han tomado conciencia de la necesidad de reutilizar el agua, además es un requisito el uso del agua tratada para el servicio de autolavado 2,3. El promedio de agua que se consume en los centros de autolavado por vehículo reportado que es clasificada de acuerdo al tamaño y procedimiento de lavado 4 el gasto de agua por vehículo es aproximadamente de 1.9 a 5.6 l/min, Faris5 reportó en un gasto promedio de agua 880 l para camiones. En la Ciudad de México la cantidad de agua tratada que utilizan estos centros de autolavado son muy elevadas pues se estima que mensualmente se gastan entre 1,000,000 m3, si por cada pipa de 10 m3 de agua tratada1,2,3. En los servicios de autolavado se utilizan pequeñas plantas de tratamiento las cuales generan lodos residuales, de manera particular en el presente trabajo se utilizan los lodos residuales generados de una planta de tratamiento que utiliza procesos de floculación para el tratamiento de las aguas obtenidas del proceso de lavado de automóviles. Esta agua residual contiene una gran cantidad de sólidos totales e hidrocarburos y componentes típicos del agua como grasas jabón1 etc. Se ha estudiado a los microorganismos que crecen en sitios contaminados como los degradadores idóneos para estos compuestos. Se han encontrado diversos géneros de microorganismos degradadores de hidrocarburos como son bacterias, algas, levaduras y hongos filamentosos. Así se han sido aislado en diversos ambientes: Pseudomonas, Arthrobacter, Micrococcus, Nocardia, Vibrio, Acinetobacter, Brevibacterium, Corynebacterium, Flavobacterium, Candida Rhodotorula y Sporobolomyces. Entre los hongos se encuentran; Penicillium, Cunninghamella, Verticilium, Beauveria, Mortieriella, Phoma, Scolebasidium6, 7. Se han estudiado hongos que degradan el 0,4% de lodos en 3 semanas y por cultivo bacteriano en dos semanas7. También se ha estudiado cultivos BFNA degradadores de hidrocarburos en condiciones de fijación de nitrógeno 8,6 estos cultivos también han mostrado la capacidad de producir biosurfactantes utilizando hidrocarburos como fuente de carbono 9, en un proceso de biorremediación por bioaumentación con biopilas los cultivos de bacterias de vida libre fijadoras de nitrógeno (BFNA) removieron hasta 120 g de petróleo crudo por kg de suelo con una eficiencia del 90 % en un lapso de un año. Se encontró también que en medio líquido cultivo de BFNA podía utilizar 20000 ppm de hidrocarburos del petróleo como fuente de carbono y energía en donde las BFNA en 10 días eliminaban hasta un 95% de los hidrocarburos presentes el petróleo 10. Se ha determinado también que estos cultivos tienen la capacidad de producir biosurfactantes cuando se encuentran en contacto con hidrocarburos. Con estos antecedentes se propuso utilizar estos cultivos de BFNA para la eliminación de

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Revista CENIC Ciencias Biológicas, Vol. 46, No. Especial, pp. 410-415, septiembre-diciembre, 2015. contaminantes en los lodos residuales obtenidos del tratamiento de las aguas del servicio de autolavado. Esto permitiría obtener residuos que pudieran utilizarse en la producción de compostas o también poder ser dispuestos sin ningún tratamiento posterior. De acuerdo a lo anterior, en este trabajo se consideró que los cultivos de BFNA procedentes de suelos contaminados con hidrocarburos podrían resistir una gran carga de hidrocarburos y otros contaminantes debido a que en medio sólido resisten 120g de petróleo crudo y que en el lodo residual se encontraría material particulado. 10 También se consideró que estos microorganismos podrían ser adecuados para el tratamiento los lodos residuales de los autolavados debido a su producción de biosurfactantes y a su resistencia a altas concentraciones de jabones. Así, con el objetivo de probar esas hipótesis en el presente trabajo se utilizaron estos cultivos de BFNA, degradadores de hidrocarburos, para eliminar los hidrocarburos, grasas y aceites presentes en de los lodos residuales provenientes de autolavados.

MATERIALES Y METODOS Microorganismos. El cultivo de BFNA aislado de suelo contaminado por hidrocarburos del estado de Tabasco, fue sembrado por estría en placa en medio Rennie modificado (1987), se incubó a 27°C, durante cinco días. El cultivo obtenido fue inoculado en medio liquido mineral usando queroseno como única fuente de carbono, en cultivo en lote, incubado a 27°C, 180 rpm en un agitador orbital incubado durante 72 h. El cultivo fue utilizado como inóculo después de haber centrifugado a 5000 rpm durante 15 min, el paquete celular fue resuspendido con 30 ml de solución salina isotónica estéril obteniendo una DO=1 determinada a 620 nm. Lodo residual. Se muestrearon 20 l de aguas residuales de un reactor de sedimentación después del proceso fisicoquímico de un tren de tratamiento de diez ciclos en la planta de tratamiento del servicio de autolavado, ubicado en Av. Anillo Periférico Blvd. Adolfo López Cortines 40000-Bis. Álvaro Obregón. Col. Jardines del Pedregal (Toyota)12, en donde se da mantenimiento, lavado de autos, motores y carrocerías. Los recipientes, muestras y almacenamiento de las mismas se realizaron de acuerdo a la norma NMX-AA-003-SCFI-198013. La muestra se guardó en refrigeración por 48 h, el lodo sedimentado obtenido fue utilizado para realizar los estudios del presente trabajo. Caracterización de los lodos del agua residual de un servicio de autolavado. Para la caracterización de los lodos se determinaron los siguientes parámetros de densidad del lodo, pH, sólidos totales, conductividad, grasas y aceites, coliformes y huevos de helminto, grasas, aceites e hidrocarburos de acuerdo a las normas correspondientes13,2. Determinación de CO2 producido. La medición de CO2 producido por los microorganismos, durante la incubación de los lodos residuales en un sistema cerrado se realizó por volumetría de acuerdo al método propuesto por Bartha y Pramer14. Se tomaron muestras de 4 ml de la cámara de reacción con la solución de KOH 0.01 N, al tiempo cero y cada 24 horas hasta los 7 días.

RESULTADOS El primer análisis realizado fue el microbiológico en donde se encontró una alta carga de patógenos, la decisión tomada fue utilizar cloro para disminuir la carga. El agua residual que la planta produce diariamente es de 60 litros por lo que se hizo un tratamiento de sedimentación para permitir que sedimentaran los sólidos y concentrar más para que la cantidad de residuo a tratar fuera menor. Para ello se metió a un sistema de refrigeración y así de los 60 litros de

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Revista CENIC Ciencias Biológicas, Vol. 46, No. Especial, pp. 410-415, septiembre-diciembre, 2015. agua se obtuvieron 5 litros de lodo residual, esté fue el que se utilizó para el tratamiento en biorreactor con los cultivos de BFNA. En la Tabla 1 se presentan los resultados obtenidos para la caracterización del lodo residual obtenido del agua tratada del centro automotriz de Toyota, como podemos observar la caracterización inicial del agua residual, presenta una gran cantidad de solidos por lo que como primer objetivo es disminuir su cantidad.

Tabla 1. Caracterización física, química y biológica de los lodos residuales Parámetros

Agua residual

Límites normativos

(Planta Toyota)

de aguas de reuso

Sólidos totales (ppm)

1396

500

Conductividad (µS)

7

6-7

Temperatura

27oC

18-25 oC

Peso volumétrico (g/cm3)

0.992764

0.99

Grasas y aceites (ppm)

5468.8

na

Color

Negro aceitoso

Sin color

Proteína (mg/L)

255

na

Jabón (%)

0.64

na

Olor

Aceite, gasolina

na

Microorganismos patógenos

nd

nd

Huevos de helminto

nd

nd

Nd. no detectado. Na. no aplica.

Para el agua residual se utilizó un inoculo del 10% con los cultivos de BFNA con una densidad óptica de 1, y se monitoreo durante 7 días. Los resultados obtenidos del tratamiento son mostrados en la Tabla 2. Como puede observarse en la tabla 2 los resultados son bastante favorables, con una remoción de solidos totales tiene una eficiencia del 50%. También al revisar la apariencia del color negro presentado llega a transparente y sin olor a gasolina, lo que permite que pueda reutilizarse por el personal porque no tendrá olor fétido que es uno de los principales problemas para que el personal del centro de lavado la utilice. El porcentaje de eficiencia obtenido en la remoción de grasas y aceites es del 80%, aunque considerando que el agua contiene varios contaminantes como el jabón y las ceras pues sigue siendo atractivo el tratamiento con los cultivos de BFNA.

Tabla 2. Parámetros monitoreados durante el tratamiento con BFNA de agua residual tratada del centro de lavado Determinación

Inicial

Final

Eficiencia %

Proteínas (g/L)

255

30.66

88

Microorganismos totales (ln UFC/ml)

19.67

2.35

88

Sólidos Totales (ppm)

858

142

83

Remoción de grasas y aceites de hidrocarburos (ppm)

5468.8

1093.8

80

pH

7

7

-

Temperatura (oC)

28

28

-

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Revista CENIC Ciencias Biológicas, Vol. 46, No. Especial, pp. 410-415, septiembre-diciembre, 2015. Un resultado sobresaliente es que el color del agua inicial era negro y, después de 48 horas de crecimiento, el agua se observaba transparente y el olor a gasolina desapareció. En los matraces se pudo determinar a lo largo del experimento. El cultivo de las BFNA permanece activo durante 180 horas en donde empieza a decaer el crecimiento del cultivo de BFNA, lo que también se ve reflejado en las grasas y aceites que contiene el lodo. Ello es debido a que el cultivo de BFNA los utiliza como fuente de carbono, y aunque cuando aún queda sustrato el cultivo no lo utiliza, posiblemente debido a su naturaleza química y que el cultivo de BFNA ya no tiene la capacidad metabólica para utilizarlos como fuente de carbono. Al cuantificar los cultivos de BFNA se observa un crecimiento hasta 100 horas y después se encuentra que la fase estacionaria termina a las 80 horas. En este lapso de tiempo se cuantificaron los hidrocarburos y se encontró que hay 60 gramos de hidrocarburos por litro de lodo residual. Después de 180 horas se obtiene un 80 % de eliminación, por lo que la eficiencia del tratamiento permitiría proponer la utilización del reactor para la eliminación biológica de los hidrocarburos, aunque aún se están realizando experimentos para poder implementar el sistema en la planta de tratamiento.

CONCLUSIONES El objetivo del trabajo era disminuir la concentración de sólidos totales para alcanzar los valores de la normatividad y se obtuvo una disminución del 88% con lo que se alcanzan los límites exigidos por la norma para aguas tratadas. Se obtuvo una eficiencia de remoción de grasas y aceites del 50%, así como una disminución de la carga microbiana por lo que los lodos residuales obtenidos pueden disponerse sin ningún tratamiento posterior. Los hidrocarburos totales disminuyeron en 80 % con el cultivo de BFNA por lo que este cultivo pudiera ser propuesto para utilizarlo en procesos de remoción de hidrocarburos en aguas residuales de centros automotrices, una vez finalicen las pruebas para el sistema de tratamiento.

AGRADECIMIENTOS Se agradece al TESE por el apoyo al trabajo así como a la SEP por el apoyo otorgado para la realización del proyecto a través del proyecto 022 en la convocatoria 2014.

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