1.2 AGUA DE PRODUCCIN

Es el agua obtenida en superficie, a travs de pozos de petrleo y/o gas, desde una formacin de inters (agua connata), un acufero activo (agua intrusiva) o un proyecto de inyeccin de agua (agua inyectada).

1.2.1 Manejo del Agua de Produccin de un Campo Petrolero.

Durante toda la etapa productiva de un yacimiento la relacin agua-aceite (WOR) se va incrementando haciendo que el corte de agua en el pozo alcance valores muy altos. El movimiento del agua estimula el desplazamiento del petrleo y afecta el barrido vertical y areal, determinando de ese modo el factor de recuperacin de petrleo de un campo. El factor de recobro en un yacimiento aumenta durante la recuperacin secundaria gracias al fenmeno de inmiscibilidad que existe entre el agua y el aceite que se producen, lo cual hace que el agua proveniente de algunas formaciones subyacentes, o debido al fracturamiento aumente la taza de flujo.

Si bien el agua (figura 6) a menudo se considera un problema, el agua buena, (definida como el agua producida por debajo del lmite econmico de la relacin agua/petrleo RAP) es crtica para el proceso de produccin de petrleo. El agua mala, (agua producida por encima del lmite econmico de la relacin agua/petrleo) por el contrario, es agua que aporta poco valor a la operacin de produccin, si bien es probable que en algn momento futuro encuentre el camino para su reutilizacin.

En general, la produccin de hidrocarburos implica un alto corte de agua. En promedio, a nivel mundial se producen de 3 a 5 barriles de agua por cada barril de petrleo; y en algunas zonas con campos maduros esta cifra puede aumentar de 10 a 14 barriles de agua por barril de petrleo (figura 5), as en trminos de volumen el agua es el fluido con mayor ndice de produccin en la industria del petrleo.

Segn un estudio realizado por el IFP (Instituto Francs del Petrleo) Energies Nouvelles se estim un volumen de 250 millones de barriles de agua por da producidos en 2008, esta cifra con seguridad va a superarse hacia el 2020 con un volumen de 300 milones de barriles por dia, es decir un aumento del 20%.

La calidad del agua de produccin depende de la regin, geologa de la formacin y los dems fluidos implicados en el proceso de recuperacin. Los caudales y presiones pueden variar considerablemente en las proximidades del pozo productor y de esta forma alterar el equilibrio fisicoqumico que prevalece en el yacimiento, esto hace que se presenten emulsiones, que generalmente son la forma en que se producen los fluidos, las cuales son tratadas mediante procesos qumicos para llevar a cabo su separacin.

1.3 Caractersticas Fisicoqumicas del Agua Asociada a la Produccin deHidrocarburosLos parmetros que se describen a continuacin, son algunos de los factores ms relevantes a considerar, en cualquier programa de monitoreo de calidad de aguas producidas para la extraccin de petrleo y/o para las aguas residuales de las refineras de petrleo.

1.3.1. Contenido de Slidos Disueltos, Suspendidos y Sedimentables. Es comn que el petrleo crudo contenga arcilla que interfiere obturando equipos.Los mtodos para su determinacin pueden diferir entre el campo y la refinera por razones prcticas y econmicas. No obstante en caso de transacciones comerciales debe especificarse exactamente cul ser el mtodo acordado para su control. Los slidos totales estn definidos como la materia resultante de la evaporacin a una temperatura entre 103 y 105 C, los cuales se clasifican en partculas disueltas, suspendidas y sedimentables. Los slidos suspendidos o filtrables se caracterizan por presentar un dimetro de partcula generalmente entre 10 y 100 micras (responsables de causar la turbidez), estos pueden ser medidos usando el mtodo 160.2 de EPA, o ASTM D 1888. El contenido de slidos suspendidos de las aguas residuales no se puede medir exactamente por estos mtodos si los compuestos presentes se volatilizan a temperaturas por debajo de 103C.

En las refineras se utiliza la ASTM. D-4006 para la determinacin de agua y la ASTM. D-480716 para la determinacin de sedimentos por filtracin.

En el campo suele utilizarse la BS&W - ASTM D4007-1117. (Agua y sedimentos) por uno de los tres mtodos de centrifugacin segn el tipo de crudo:

Crudos parafnicos: con calentamiento Crudos asfltenicos: solventes aromticos (tolueno) Otras muestras: emulsificadores

1.3.2. Temperatura.

La descarga de aguas residuales a altas temperaturas puede causar daos a la flora y fauna en los cuerpos de agua al inferir en la reproduccin de las especies, incrementar el crecimiento de bacterias y otros organismos, acelerando las reacciones qumicas y reduciendo los niveles de oxgeno.

Problemas asociados a la temperatura:

Influye en la formacin de escamas inorgnicas. Influye en la solubilidad de los gases en el agua. Influye en la precipitacin de compuestos.

1.3.3. Material Flotante.

En el agua de produccin se distinguen partculas y material flotante como la nata de petrleo crudo. Su presencia causa la visualizacin de una gama de colores en la superficie del agua cuya intensidad es una funcin del espesor de la pelcula de aceite, la cual no es aceptada por la legislacin colombiana; adems de esto el agua tambin transporta consigo impurezas tales como: gotas de aceite dispersas en la fase agua y slidos humedecidos con petrleo.

La eliminacin del petrleo crudo libre en flotacin, implica el control de dos aspectos:

El derrame de nata del petrleo crudo en la descarga de la caja API de las bateras; en general, la correcta operacin de la caja API separa como petrleo crudo los glbulos con un dimetro superior a 150 m. La nata que se produce debe ser removida continuamente en la caja API para evitar su derrame en el afluente, y eliminar la posibilidad de que por turbulencia viaje hacia la salida de las aguas de vertimiento y de ah hacia los cuerpos acuosos.

Grasas y aceites. Esta denominacin comprende aquellas sustancias que se encuentran en suspensin en el agua y que son solubles en hexano.

Muchas de las aguas de produccin y/o inyeccin poseen slidos suspendidos que estn en el rango de 0.01 micrones a 100 micrones. Este material flotante bsicamente puede estar compuesto por: finos de formacin, limos, arcillas, productos de corrosin, adems otros compuestos formados por las bacterias y cuerpos de bacterias muertas, etc.

1.3.4. Grasas y Aceite Libre, Emulsionado y Disuelto.

La Asociacin Americana para la Salud Pblica en el documento, Mtodos Estndar para el Examen de Agua y Aguas Residuales, la define como: Cualquier material recuperado en la forma de una sustancia soluble en un solvente, donde el triclorofluoroetano es el solvente recomendado. Como es de conocimiento general, la descarga de aceites o grasas en un cuerpo de agua, ocasiona perturbaciones en la vida acutica al formar pelculas sobre la superficie, obstaculizando la fotosntesis al disminuir la oxigenacin y paso de la luz, adems de interrumpir en la reproduccin de las especies, es por esto que surge la necesidad de establecer en la legislacin colombiana mediante el Decreto 3930 de 2010, una remocin superior al 80% de grasas y aceites, as mismo, prohibir cualquier pelcula visible de este material en el cuerpo de agua, haciendo necesario medir la carga de este contaminante. En el pozo, estas grasas y aceites libres pueden ocasionar los siguientes problemas:

El aceite tiende a formar emulsiones. Atrae slidos que pueden provocar taponamiento.

Para determinar si hay presencia de grasas y aceite libre o no, se puede evaluar a partir de las siguientes normas:

Infrarrojos. ASTM D 3921-96. Calorimetra Gravimetra. SM 5520-B.

1.3.5. Problemas Ocasionados por los Slidos Suspendidos y el Aceite en Agua

A continuacin se enunciarn algunos de los principales problemas ocasionados por los slidos suspendidos y el aceite disperso en las aguas manejadas:

Incremento de la presin de inyeccin y disminucin de las ratas de inyeccin ocasionada por el taponamiento de la cara de la formacin. Cierres definitivos o parciales de los pozos inyectores debido a daos severos en la formacin. Necesidad de perforar o acondicionar nuevos pozos inyectores para mantener los volmenes de agua inyectada. Prdidas de produccin ocasionadas por el cierre de pozos productores con alto BSW debido a la imposibilidad de disponer del agua asociada al crudo. Excesivos costos en el tratamiento qumico del agua asociada a la produccin ya sea para inyeccin y/o vertimiento al medio ambiente. Aumento del costo por barril de agua utilizada de otras fuentes cuando las mismas contienen elevadas cantidades del Total de slidos suspendidos (TSS). Desgaste excesivo de las piezas de las bombas de inyeccin de agua ya sea por abrasin de los slidos o por sobre-esfuerzos cuando la presin de inyeccin se incrementa. Incremento de los costos operacionales por consumo de combustible y/o energa de los motores de las bombas, ocasionados por el trabajo extra que deben realizar los mismos para inyectar el agua cuando la presin del pozo aumenta. Cuando un agua est demasiado emulsionada, esta puede llegar a transportar grandes cantidades de crudo, conllevando a prdidas de aceite. Disminucin de los tiempos entre retrolavados de los filtros, para lograr mantener la calidad del agua en 2 ppm de aceite en agua y 2 ppm del Total de slidos suspendidos (TSS). Aumento de los tiempos de retrolavado de los filtros para lograr una buena limpieza de los mismos. Implementacin del uso de varsol y/o jabones para descontaminar los medios filtrantes de los trenes de filtracin.

Perturbacin de la calidad del tratamiento del crudo ocasionado por: Acumulacin de grumos en las interfaces de las facilidades de produccin. Recuperacin excesiva de crudo en los desnates de las vasijas de tratamiento de agua, lo que ocasiona agitacin en la entrada de los fluidos a los equipos. Acumulacin de slidos (xido de hierro y sulfuro de hierro) en la interface agua-aceite lo que obstruye la normal separacin de las fases y el funcionamiento de los rompedores. Problemas en la calidad del agua inyectada y vertida al medio ambiente. Disminucin en la capacidad y en el tiempo de retencin de las facilidades de produccin debido a la progresiva acumulacin de arena en el interior de las mismas.

1.4 CARACTERSTICAS QUMICAS

1.4.1 pH

Es el potencial hidrgeno o nivel de cidos o bases en una sustancia. Aquellas que no se encuentran entre el rango de 5 9 pueden afectar el medio acutico, al causar perturbaciones celulares y la eventual destruccin de la flora y la fauna.

En un pozo se pueden presentar problemas de escamas, producto de la corrosin y la velocidad a la que esta se presente dependiendo el grado de pH que se tenga; si se tiene un pH bajo existirn ms problemas de corrosin. Para determinar la variacin del pH, se puede evaluar a partir de las siguientes normas:

pH-metro ASTM D 1293-12

1.4.2 Aniones

Son iones con carga negativa presentes en el agua. La concentracin de cloruros es una medida especfica de la salinidad del agua en la industria petrolera. El alto contenido de cloruros impide que el agua sea utilizada para el consumo humano o el ganado. Altos porcentajes de cloruros en los cuerpos de agua tambin pueden matar a la vegetacin circundante.

Cloro

El ion cloruro es el principal constituyente de las aguas de los campos petroleros y las aguas frescas. La mayor fuente de los iones cloruros es el NaCl, por lo tanto este ion es utilizado para medir la salinidad del agua segn su concentracin se puede clasificar de la siguiente manera:

Agua dulce: 0 - 2000 ppm Agua salobre: 2000 - 5000 ppm Agua salada: 5000 - 40000 ppm Salmuera: > 40000 ppm

El principal problema asociado con el ion cloruro es el incremento de la corrosividad a medida que la concentracin de este ion aumenta. Para determinar la concentracin de cloro, se utilizan las siguientes normas:

ASTM D 4458-09 ASTM D 4327-11

Carbonatos y Bicarbonatos.

La alcalinidad de un agua es debida al contenido de sales del cido carbnico (bicarbonatos, carbonatos) e hidrxidos, es una medida o indicacin de los componentes bsicos del agua. La alcalinidad de las aguas naturales suele deberse a los carbonatos y bicarbonatos de calcio, magnesio, sodio y potasio y en algunos casos tambin se debe en pequeo grado a boratos, silicatos y fosfatos. El bicarbonato es el componente que ms contribuye a la alcalinidad. La importancia de la alcalinidad es significativa en los fenmenos de coagulacin y ablandamiento, as como en la prevencin de la corrosin. La alcalinidad da un ndice de la resistencia del agua a bajar su pH cuando se le aade cido.

Para determinar la concentracin de carbonatos y bicarbonatos en el agua, se puede evaluar a partir de las siguientes normas: ASTM D 1067-11 SM 2320-B Sulfatos

Corresponden a sales de moderadamente solubles a muy solubles. Las aguas dulces contienen de 2 a 150 ppm, y el agua de mar cerca de 3.000 ppm. Proceden de rocas sedimentarias, sobretodo yeso y anhidrita, y en menor proporcin de la oxidacin de los sulfuros de la pirita. En funcin del contenido de calcio, podran impartirle un carcter cido al agua.

Los sulfatos de calcio y magnesio contribuyen a la dureza del agua y constituyen la dureza permanente. El sulfato de magnesio confiere al agua un sabor amargo. Cuando el sulfato se encuentra en concentraciones excesivas en el agua cida, le confiere propiedades corrosivas.

Para determinar la cantidad de sulfatos en el agua, se utilizan las siguientes normas:

ASTM D 4327-11 Turbidimetra ASTM D 4130-08

1.4.3 Cationes

Es la sumatoria de todos los iones con carga positiva presentes en el agua. La concentracin de cationes es una medida especfica de la salinidad y dureza del agua en la industria petrolera. El alto contenido de cationes impide que el agua sea utilizada para el consumo humano o el ganado.

Calcio

Los iones son un componente principal de las salmueras de yacimientos petrolferos. El in calcio se combina fcilmente con bicarbonatos, carbonatos y sulfatos para formar precipitados insolubles. Para determinar la cantidad de calcio presente en el agua, se utilizan las siguientes normas:

ASTM D 511-09 SM 3500 Ca-B

Magnesio

Los iones se presentan solamente en bajas concentraciones y tambin forman incrustaciones. Normalmente se encuentra como un componente de la incrustacin del carbonato de calcio. Para determinar la cantidad de calcio presente en el agua, se utilizan las siguientes normas:

ASTM D 511-09 SM 3500 Mg-B

Sodio

Es el catin ms abundante en las salmueras de yacimientos petrolferos. Generalmente se halla en concentraciones superiores a 35,000 partes por milln (ppm). El sodio generalmente no presenta problemas en el manejo, pero vuelve al agua no apta para el consumo humano o de animales, y es a menudo fatal para la vida vegetal. Para determinar si hay presencia de sodio, se puede evaluar a partir de las siguientes normas:

ASTM D 3561-11

Hierro

Naturalmente se halla en concentraciones muy bajas. Su presencia muchas veces indica problemas de corrosin. El hierro tambin se combina con los sulfatos y materias orgnicas para formar un lodo de hierro, y es particularmente susceptible de formar lodos si hay cidos presentes. Para determinar si hay presencia de hierro o no, se puede evaluar a partir de las siguientes normas:

ASTM D 1068-10 SM 3500 Fe B

2. ETAPAS DE TRATAMIENTO

En la actualidad, las operaciones de fracturamiento hidrulico se basan nicamente en las fuentes de agua dulce, se requiere as un pre-tratamiento limitado para asegurar la compatibilidad con el fluido de fracturacin hidrulica. En la mayora de los casos, el tratamiento previo se limita a la aplicacin de biocida y filtracin para eliminar as las bacterias y los slidos en suspensin que pueden estar presentes en el agua dulce. Pero, para este proyecto se busca acondicionar el agua de produccin la cual resulta de la coproduccin de Hidrocarburo. Esta contiene concentraciones elevadas de contaminantes que hacen que el acondicionamiento de esta agua, sea un poco ms complicado y requiera de tratamientos adicionales; incluso si esta agua ya cumple con las condiciones de calidad impuestas en la normatividad debido al tratamiento dispuesto por las facilidades de superficie actuales, puede que esta agua aun no cumpla con los requerimientos para ser compatible con los fluidos de fractura, todo esto se hace ms crtico si se habla del tratamiento para flowback el cual es obligatorio (Actualmente Ecopetrol delega la responsabilidad de la disposicin de estos flowback en un tercero, lo cual est resultando ms costoso que el mismo trabajo de fracturamiento).Se proponen entonces una serie de tecnologas y tratamientos los cuales buscan poner estas aguas a condiciones tales que su reso en fracturamiento y acidificacin sea factible, las cuales se pueden dividir en Tratamiento primario, tratamiento secundario y tratamiento terciario.

2.1 Tratamiento primario

En el tratamiento primario se remueven los slidos suspendidos, aceite, hierro, polmeros, bacterias o una combinacin de varios componentes en las siguientes etapas:Separar las fases de fluidos. Remover tanto aceite del agua como sea posible.Puede haber beneficios de tratar el agua de Flowback y el agua de Produccin separadamente si existen diferencias en la composicin de las mismas.Separar slidos suspendidos, aceite emulsionado y romper geles o polmeros orgnicos.Remover los slidos separados en flotacin en unidad de separacin.La rigurosidad de la aplicacin de cada uno de los pasos anteriores depende del nivel de calidad requerida para los usos sub-secuentes de las aguas de Flowback o aguas de Produccin.

2.1.1 PROCESOS FSICOS

Separacin Gravitacional

En los equipos de tratamiento de agua se utiliza esencialmente la fuerza de gravedad para separar las gotas de aceite de la fase continua agua. Las gotas de aceite empiezan a ser ms livianas que el volumen de agua que los est desplazando y est ejerciendo sobre ellas una fuerza de boyanza. A este movimiento ascendente se opone la fuerza de friccin debida a la fase continua agua.

A mayor dimetro de partcula del aceite mayor velocidad de ascenso a superficie, por lo tanto se hace ms fcil su remocin. Entre mayor API del crudo, es decir un aceite ms liviano, la diferencia de gravedades especficas se hace ms grande, por lo tanto el agua es ms fcil de tratar. A mayor temperatura, disminuye la viscosidad del agua, y aumenta la velocidad ascendente. Por lo tanto a altas temperaturas es ms sencillo el tratamiento del agua. Si el dimetro de partcula no se encuentra disponible, se puede asumir un dimetro de partcula de 150 m.

Dispersin

Cuando hay suficiente energa cintica no slo para levantar las gotas de aceite sino para hacerlas oscilar, stas se volvern inestables (se dispersarn) debido a la diferencia de tensin superficial entre una sola gota y dos gotas que se han agrupado. En el mismo instante en que ocurre este proceso, el movimiento de pequeas partculas de aceite est causando coalescencia.

Debido a lo anterior se tendra que definir estticamente una medida mxima de gota de aceite para una energa dada por una unidad de masa y tiempo, en la cual la tasa de fusin es igual a la tasa de dispersin.

Coalescencia

Es la unin de pequeas gotas para formar gotas de mayor tamao. El proceso de coalescencia en sistemas tratadores de agua depende ms del tiempo que de la dispersin. En la dispersin de dos lquidos inmiscibles, una coalescencia inmediata ocurre raramente cuando las gotas colisionan. Si el par de gotas son expuestas a fluctuaciones de presin turbulenta y la energa cintica de oscilacin inducida en el par de gotas fusionadas es mayor que la energa de adhesin entre stas, el contacto se rompera antes que se complete la coalescencia.

Despus de un periodo inicial de coalescencia, un tiempo de retencin adicional disminuye la capacidad de causar coalescencia de gotas de aceite.

Coagulacin-Floculacin-Sedimentacin Convencional

Las prcticas convencionales de coagulacinfloculacin-sedimentacin son pre- tratamientos esenciales para muchos sistemas de purificacin de agua, especialmente los tratamientos de filtracin. Estos procesos aglomeran entre s a los slidos en suspensin para formar cuerpos de mayor tamao a fin de que los procesos de filtracin fsica puedan eliminarlos con mayor facilidad. La eliminacin de partculas por medio de estos mtodos vuelve mucho ms eficaces los procesos de filtracin. El proceso a menudo se contina con la separacin por gravedad (sedimentacin o flotacin) y siempre es seguido por la filtracin.

CoagulacinLa coagulacin es la desestabilizacin de las partculas coloidales causadas por la adicin de un reactivo qumico llamado coagulante el cual, neutralizando sus cargas electrostticas, hace que las partculas tiendan a unirse entre s y la sustancia que se coagula vaya al fondo para su posterior retiro.

Un coagulante qumico, como sales de hierro, sales de aluminio o polmeros, se agregan al agua fuente para volver fcil la adherencia entre las partculas. Los coagulantes funcionan creando una reaccin qumica y eliminando las cargas negativas que causan que las partculas se repelan entre s. Despus, la mezcla coagulante-agua fuente se agita lentamente en un proceso que se conoce como floculacin. Este agitado del agua induce que las partculas choquen entre s y se aglutinen para formar grumos o flculos que se pueden eliminar con mayor facilidad.

Floculacin La floculacin es un proceso qumico mediante el cual, con la adicin de sustancias denominadas floculantes, se aglutina las sustancias coloidales presentes en el agua, facilitando de esta forma su decantacin y posterior filtrado.Los compuestos que pueden estar presentes en el agua pueden ser:

Slidos en suspensin. Partculas coloidales (menos de 1 micra). Sustancias disueltas.

El proceso de floculacin es precedido por la coagulacin, por eso muchas veces se habla de los procesos de coagulacin-floculacin. Estos facilitan la retirada de las sustancias en suspensin y de las partculas coloidales. La floculacin es la aglomeracin de partculas desestabilizadas en microflculos y despus en los flculos ms grandes que tienden a depositarse en el fondo de los recipientes construidos para este fin, denominados sedimentadores.

Los factores que pueden promover la coagulacin-floculacin son el gradiente de la velocidad, el tiempo y el pH. El tiempo y el gradiente de velocidad son importantes al aumentar la probabilidad de que las partculas se unan y da ms tiempo para que las partculas desciendan, por efecto de la gravedad, y as se acumulen en el fondo. Por otra parte el pH es un factor prominente en accin desestabilizadora de las sustancias coagulantes y floculantes.

Flotacin

Este proceso mejora la separacin de las gotas de aceite de la fase continua agua. Este objetivo es alcanzado por el incremento de la diferencia entre la densidad de los dos fluidos, al saturar el fluido con gas o dispersando en el sistema burbujas de gas, que arrastran a superficie las gotas de aceite. Este proceso disminuye el tiempo de retencin en los recipientes.

2.2 Tratamiento Secundario

En el tratamiento secundario se remueven cationes divalentes tales como: calcio, magnesio, bario, estroncio con el objetivo de:Lograr compatibilidad del agua tratada con los aditivos utilizados en los fluidos de fracturamiento.Minimizar la tendencia incrustante de las aguas y los riesgos de formacin de depsitos inorgnicos. Despus del tratamiento secundario el agua tratada puede ser utilizada como fuente de agua para la preparacin de fluidos de fracturamiento (Reso del agua).Minimiza la necesidad de utilizacin fuentes de agua fresca para la mezcla con agua de produccin y flowback para mejorar la calidad de la misma.Incorpora tecnologas y costos adicionales

.2.3 Tratamiento Terciario

En el tratamiento terciario se realiza la remocin de las sales disueltas en el agua (Desalinizacin) cuando es requerido con el objetivo de lograr la compatibilidad con los aditivos del fluido de fractura o para realizar disposicin en superficie (cuando no es posible hacer la disposicin en Well Disposal). Algunos procesos de tratamiento terciario pueden no requerir la realizacin de tratamientos primario y secundario previos.La seleccin de la tecnologa efectiva de Desalinizacin depende principalmente de la concentracin de sal y la presencia de otros contaminantes en el agua. Algunas de las tecnologas disponibles son: Intercambio Inico (IE). Osmosis Inversa (RO). Re-compresin / Evaporacin Mecnica (MVR).Todas las tecnologas de tratamiento terciario generan un desecho de salmuera concentrada de la cual requiere disponerse.

3.1 EQUIPOS PARA EL TRATAMIENTO PRIMARIO

A continuacin se enuncian los equipos principales usados en el tratamiento de aguas residuales:

3.1.1 Tanque Desnatador o Skim Tank.

El equipo ms simple de tratamiento primario es un tanque desnatador. Estas unidades, que pueden ser a presin o atmosfricas, son diseadas para proporcionar un alto tiempo de retencin durante el cual pueda ocurrir la coalescencia y la separacin gravitacional.

Los desnatadores pueden ser horizontales o verticales. En los verticales las gotas de aceite deben ascender en sentido contrario al flujo de agua que es descendente; algunos desnatadores verticales poseen propagadores en la entrada y colectores en la salida para ayudar a la distribucin de flujo uniforme.

El flujo entra y pasa a un tubo que lo dirige hacia abajo permitiendo que se liberen pequeas cantidades de gas. La entrada inferior dirige el flujo a travs de la capa de aceite a un sistema propagador para permitir que el agua contine su flujo hacia abajo con la velocidad uniforme sobre toda la seccin del rea transversal en el tanque. En esta zona tranquila, entre el propagador y el colector de agua, puede ocurrir algo de coalescencia y la boyanza de las gotas de aceite causar que estas asciendan contra el flujo del agua. El aceite que se encuentra en la superficie se retira y se recoge en colectores.

El fluido entra por un costado del tanque cerca de la parte superior del mismo; posteriormente el tubo que conduce el fluido llega hasta el centro del tanque y baja verticalmente hasta cerca del fondo en donde se derivan ciertos cabezales radiales (tubos de 4) perpendiculares al tubo central, que permiten que el agua salga por unas perforaciones difusoras.

En un desnatador horizontal, las gotas de aceite suben perpendicularmente al flujo de agua. El flujo fluye a travs de una entrada inferior para permitir la separacin del gas y llevar el flujo bajo la capa de aceite. El agua entonces se revuelve y fluye horizontalmente a lo largo del tanque. Se pueden instalar bafles para restringir el flujo. En esta seccin del tanque las gotas de aceite coalescen y ascienden luego a la superficie donde son capturadas, agrupadas y posteriormente desnatadas sobre el vertedero de aceite. La altura de la espuma de aceite puede ser controlada por un control de interfase.

Los tanques horizontales son ms eficientes para el tratamiento de agua porque las gotas de aceite no tienen que fluir contra la corriente de flujo del agua. Sin embargo los verticales se usan donde se presente lo siguiente:

Donde se necesita manejar arena y slidos: Esto puede hacerse en tanques verticales con desages o drenajes de arena en el fondo del mismo; sin embargo, estos drenajes en tanques horizontales no han sido satisfactorios. Donde se experimenta movimiento de lquidos: Las cmaras verticales son menos susceptibles a que se produzcan cierres en los niveles altos debido al movimiento de lquidos. Las olas y ondas internas que surgen en los tanques horizontales pueden dispersarse e igualar el nivel flotante, aunque el volumen de lquido entre en nivel de operacin normal y el nivel alto de cierre sea igual o mayor que el de un tanque vertical.

3.1.2 Caja API o Separador API.

Este equipo es una piscina o alberca expuesta a la atmsfera la cual internamente presenta una serie de compartimientos. Su funcin es la de recuperar al mximo el aceite proveniente de los drenajes, reboses y disparos de las PSV (pressure safety valve), adems de algunos de los equipos presentes en la batera. Su principio de operacin se basa en el tiempo de asentamiento y la diferencia entre las densidades del agua y el aceite.

En este tipo de dispositivos el fluido entra al sistema descargado por un tubo con codo descendente, pasando luego a la seccin de separacin en donde se le da un tiempo de residencia que le permite a las gotas de aceite coalescer y flotar para su posterior remocin (ver figura11). El aceite, una vez acumulado en forma de nata o pequea capa, es recolectado mediante una canaleta tubular y luego es conducido a un tanque recolector de aceite. En este tanque se tiene instalada una bomba electrosumergible que automticamente transfiere peridicamente el aceite acumulado a los tratadores y/o Gun Barrel. El agua que se asienta en el fondo del separador API es transferida por medio de unos tubos ubicados en la parte inferior del recipiente hacia piscinas aledaas o cualquier otro elemento de recuperacin secundaria.

Seccin de entrada: Compartimiento en donde disminuye el caudal, se remueven slidos y se disminuye la carga a la seccin de separacinSeccin de separacin: Cmara conformada por una serie de conductos de entrada, dispositivos de distribucin de flujo, canal desnatador, bafles de retencin y colectores de aceite.

Entre algunas de las caractersticas que presenta la caja API se puede encontrar la modificacin del nivel de los vertederos o la extensin del compartimiento de la cmara de separacin. Generalmente fabricado en acero al carbn A-36 con fondo plano.

3.1.3 Platinas Coalescedoras.

Las placas paralelas son disponibles en mdulos que se pueden adaptar generalmente a un separador convencional sin modificaciones estructurales importantes. Sin el equipo mecnico de remocin de los sedimentos, adaptar platos paralelos puede no ser prctico, dado que la remocin manual de sedimentos puede requerir el retiro del paquete de placas del separador en intervalos regulares, la figura 12 muestra el arreglo de un paquete de platos corrugados.

En teora, los mdulos de placas paralelas pueden mejorar el funcionamiento de dos maneras:

Proporcionan un aumento en el rea superficial horizontal del separador. Crean una distribucin ms uniforme, caractersticas de flujo menos turbulento, proporcionando condiciones ms favorables para la separacin del aceite libre.

La adaptacin de mdulos de placas paralelas en un separador existente puede acomodarse para flujos ms altos, o disminuir la salida de aceite bajo las mismas condiciones de flujo. El espaciamiento entre platos y el ngulo de la placa son crticos para el apropiado funcionamiento del paquete de placas. La informacin requerida de los separadores existentes para ser adaptados incluye la geometra existente del separador, niveles de agua de lavado, calidad del influente, gravedad especfica de las fases agua/aceite dadas a la temperatura de diseo y la calidad del efluente deseada.

Entre las ms comunes se encuentran:

PPI: Interceptor de platinas paralelas. CPI: Interceptor de placas corrugadas. CFD: Separador de flujo transversal.

Donde estas placas se pueden implementar tanto como elementos de optimizacin primarios en Oil Skimmer, como elementos independientes en procesos de recuperacin primaria y secundaria.

Interceptor de Platinas Paralelas.

Los separadores de placas paralelas son tericamente capaces de remover partculas ms pequeas de aceite libre que los separadores de aceite convencionales, pero ellos todava no pueden remover los aceites emulsionados o disueltos.

Bsicamente consta de una serie de paquetes de platinas planas paralelas que son colocadas a lo largo del eje longitudinal del oil skimmer o caja API, soportados por bafles o lminas perforadas, que genera un camino laberntico forzando a las gotas de aceite a unirse y ascender fcilmente para posteriormente vertir la nata formada en el colector.

Si el flujo es perpendicular al eje de las placas, un corte transversal al tanque recipiente desnatador, permite observar como este comportamiento forma una especie de V a lo largo del equipo.Dado que los mdulos de las placas paralelas los provee generalmente un vendedor, es recomendable hacer que ste optimice el diseo de acuerdo con las configuraciones particulares de placas estndar, principalmente si es una garanta de funcionamiento requerido para la unidad.

Interceptor de Placas Corrugadas.

Es la unidad ms comnmente usada en off shore para el tratamiento de aguas residuales, y por lo general la ms eficiente cuando no se requiere trabajar a presin por posibles problemas de arrastre de gas, adems que representa un refinamiento del interceptor de platinas pero que ocupa menos espacio para remover el mismo tamao de partcula y adems tiene el beneficio de hacer ms fcil el manejo de sedimentos.

El eje de las corrugaciones, similares a un tejado, es paralelo a la direccin de flujo, con una inclinacin estndar de 45 por donde el agua es forzada a fluir hacia abajo y as poder remover las partculas de aceite presentes en el agua. Las gotas de aceite ascienden en sentido contrario al flujo de agua y se concentran en el tope de cada corrugacin formando una capa en la superficie. Cuando el aceite alcanza el ltimo paquete de platos se recoge en un canal y se lleva a la interface agua aceite, como se muestra en la figura 16.

Experimentalmente se ha observado que la arena humedecida con aceite se adhiere a la platina cuando tiene una inclinacin de 45, por lo tanto tiende a taponarse. Para esta situacin en particular, es recomendado aumentar el ngulo de inclinacin desde 45 hasta 60, segn las especificaciones.

Si se prev una produccin de arena o sedimentos significativa, sta puede ser removida antes de que el agua residual entre al paquete de platinas, evitando as una posible obstruccin. Se debe mantener el flujo laminar en el plato coalescente para un ptimo asentamiento de arena.

Adems, los platos colectores de arena instalados en el fondo del recipiente causan turbulencia, disminuyendo la eficiencia del tratamiento y ellos mismos estn sujetos a taponamiento.

3.1.6 Separadores de Flujo Transversal. Modificacin del CPI, en el cual el flujo de agua es perpendicular al eje de las corrugaciones de la placa. Permite a los platos estar convenientemente instalados a un ngulo mayor a 45, para facilitar la remocin de sedimentos en un recipiente presurizado, proporcionando un control del potencial de gas presente en el equipo.

Estos dispositivos pueden ubicarse ya sea en recipientes a presin vertical u horizontal. En recipientes horizontales se requiere un menor ngulo de inclinacin, dado que la distancia que recorre la partcula de aceite desde el fondo hasta la superficie es menor comparada con un skimmer vertical.

En general, los interceptores de placas corrugadas son ms econmicos y eficientes para la remocin de aceite que los de flujo transversal. No obstante, el flujo transversal debera considerarse cuando se requiere el uso de recipientes a presin y se espera agua con mucho contenido de slidos; en la figura 18 se observa el esquema de un separador de flujo transversal.

3.1.4 Hidrociclones.

Este tipo de unidades utiliza la fuerza centrfuga para remover las gotas de aceite presentes en el agua (ver figura 24). El flujo entra al compartimiento de forma tangencial creando un remolino de alta velocidad, en el cual las gotas de aceite coalescen y fluyen en contracorriente. A medida que el fluido pasa a travs de las secciones concntricas de reduccin (alto grado de inclinacin) y decreciente (con ngulo de inclinacin leve), se produce un incremento en la velocidad. Luego, el fluido ingresa a una seccin cilndrica donde el caudal se mantiene constante. Las partculas de mayor tamao son separadas en la seccin decreciente, mientras que las partculas ms pequeas, son removidas en la seccin final. Las partculas de aceite al tener menor densidad son arrastradas por la fuerza centrfuga hacia la zona de baja presin generada en el centro del cilindro, en donde fluyen en direccin contraria al flujo. El aceite es removido a travs de un puerto de dimetro pequeo ubicado en la cabeza del hidrocicln, mientras que el agua sale por la parte baja del equipo

Fuente: ingemecanica.com

Los hidrociclones estticos requieren una presin mnima de 100 psi para generar las velocidades requeridas. Algunos equipos son diseados para operar a presiones ms bajas, pero stos no son tan eficientes como los que operan a altas presiones. Los hidrociclones pueden remover partculas de aceite de dimetros entre 5 y 15 m.

El funcionamiento es influenciado principalmente por la relacin de descarga de aceite y la relacin de cada de presin (PDR), adems tambin es afectado por el tamao de la gota de aceite y la concentracin de aceite a la entrada, la diferencia de gravedades especficas y la temperatura a la entrada. Temperaturas mayores a 80F generan mejores resultados. La relacin de descarga de aceite se refiere a la razn entre la salida de aceite y el fluido total de entrada. Generalmente, la relacin de descarga se encuentra entre 1 y 3%. Esta relacin es tambin proporcional al PDR. La operacin por debajo de ste rango da lugar a bajas eficiencias de remocin y por encima aunque no influye en la remocin de aceite, es necesario recircular mayor cantidad de fluido a travs de la facilidad. El PDR se refiere a la relacin entre la cada de presin a la entrada del fluido y la salida de descarga de aceite, y la cada de presin entre la entrada del fluido y la salida del agua. Usualmente se requiere un PDR entre 1,4 y 2,0.

Para clculos de diseo se asume una remocin de aceite del 90%, aunque en la prctica este resultado no se presenta.

Los hidrociclones son excelentes dispositivos coalescedores, funcionan como un elemento de tratamiento primario seguido por un skimmer. Entre algunas ventajas de los hidrociclones estticos se encuentran:

No poseen partes mviles, por lo tanto no se requiere mayor atencin a la operacin y mantenimiento. Diseo compacto, reduce requisitos de peso y espacio comparados con las unidades de flotacin. Son estables al movimiento. Su diseo modular permite manejar volmenes mayores de flujo. Costos de operacin ms bajos comparados con las unidades de flotacin.

Las desventajas incluyen la necesidad de instalar una bomba si el aceite entra a la unidad a una presin por debajo de la presin mnima de operacin y la tendencia del puerto de descarga a taponarse con arena y/o escamas. La arena en el agua producida causar la erosin de los conos e incrementar los costos de operacin.

3.1.5 Piscinas para el Tratamiento de Aguas. Generalmente, son elementos diseados para el tratamiento secundario del agua residual con el objetivo de proporcionar un tiempo de retencin relativamente grande comparado con los dems equipos. Estas se pueden clasificar segn su profundidad en:

Piscinas Aerbicas. Lagunas en las cuales los microorganismos oxidan la materia orgnica aprovechando el oxgeno disuelto presente en el agua. La profundidad oscila entre 0,5 y 1 m, permitiendo el paso de la luz solar a travs del cuerpo de agua, y as favorecer el crecimiento de algas por accin de l fotosntesis, las cuales generan grandes cantidades de oxgeno.

Piscinas Anaerbicas. Lagunas con profundidades entre 2,0 y 4,0 m, donde los microorganismos toman el oxgeno de sulfatos y nitratos presentes en el agua para producir CO2, por lo tanto, este tipo de lagunas permite una alta concentracin de contaminantes sin contenido de oxgeno disuelto a diferencia de las piscinas aerbicas.

Piscinas Facultativas. Lagunas con caractersticas aerbicas y anaerbicas simultneamente, en las cuales los microorganismos se mantienen en condiciones aerbicas en superficie y anaerbicas en el fondo de la piscina. La profundidad oscila entre 1,0 y 2,0 m. Comnmente, este tipo de piscinas son usadas en la industria petrolera implementando sistemas de aireadores. Las piscinas para el tratamiento de aguas residuales tienen como objeto:

Preservar de la flora y la fauna al remover el contenido de aceite y otros contaminantes (DBO y DQO) que inciden de forma negativa en el agua receptora. Incrementar y/o mantener los niveles de oxgeno disuelto en el agua residual. Reducir en la concentracin de compuestos aromticos, fenlicos y metales. Estabilizar las condiciones de pH.

De acuerdo al fenmeno que predomine en la piscina para el tratamiento de agua, stas se pueden clasificar en: Piscinas de Sedimentacin. Se basa en la separacin gravitacional, y al igual que en algunos sistemas de tratamiento primario se encuentran expuestos a la atmsfera para reducir la concentracin de aceite soluble por efecto de la presin, disminuir la temperatura y remover H2S y CO2 al permitirse la aireacin del agua.

Adems, genera el asentamiento de los slidos suspendidos e inicia el proceso de oxidacin. Es indispensable el uso de clarificante en estas unidades para la precipitacin de slidos, dependiendo del tamao y la composicin se usa uno u otro compuesto. En la industria petrolera el sulfato de aluminio es conocido como el mejor clarificante.

Algunos aspectos a tener en cuenta en este tipo de unidades:

Es necesaria la disponibilidad de grandes extensiones de tierra. El ambiente puede influir en su desempeo. Existen elementos que pueden evaporarse o degradarse con el sol e influir positiva o negativamente dependiendo si la concentracin del contaminante aumenta o disminuye. Adems, la lluvia ayuda a la oxigenacin. La separacin por gravedad de grasas y aceites comnmente no es ptima. Cuando la oxigenacin no es la adecuada se recomienda el uso de aireadores mecnicos y biofiltros.

Piscinas de Oxidacin. La optimizacin de este tipo de unidades se lleva a cabo mediante aireadores, los cuales oxigenan el agua residual permitiendo la reproduccin de microorganismos para la oxidacin de materia orgnica, de tal forma que el material resultante poseer mayor densidad y se depositar, esto implica que se presentar una disminucin de la carga orgnica contaminante (DBO, DQO, aceite y fenoles, entre otros). Adems, disminuye la temperatura del Agua que va a ser vertida. til cuando las concentraciones de materia orgnica son muy altas y la biodegradacin no es ptima bajo condiciones normales.

3.1.6. Celdas de flotacinEstas unidades son los nicos equipos de tratamiento de agua residual cuyo principio de separacin se fundamenta en el arrastre por gas de las partculas de aceite, aunque tambin ocurre la separacin gravitacional, pero en menor proporcin. Las unidades de flotacin emplean un proceso en el cual pequeas burbujas de gas son generadas y dispersadas en el agua, donde hacen contacto con las gotas de aceite y partculas slidas. Las burbujas de gas incrementan la diferencia de densidades y ayudan a las gotas de aceite a ascender rpidamente a superficie para su posterior recoleccin. Coagulantes, polielectrolitos, o desemulsificantes son agregados para optimizar el funcionamiento del equipo.

La separacin ocurre cuando la gota de petrleo se junta con una burbuja de gas dando lugar a la formacin de espuma sobre la superficie del lquido. La espuma se disuelve y permite la recuperacin de aceite por despumacin.

La unidad consta de un tanque separado internamente por celdas. Son cuatro cmaras de flotacin y dos bandejas laterales colectoras de natas. Cada cmara de flotacin tiene un rotor/dispersor acoplado a su propio motor. El agua sucia entra a la unidad y recorre todas las celdas de flotacin antes de salir limpia.

Cada mecanismo rotor/dispersor tiene su propio eje sobre-dimensionado de una sola pieza y un rotor robusto. La rotacin del rotor produce un remolino que aspira aire de la superficie del lquido, forzndolo junto con ste hacia el dispersor. Esto genera pequeas burbujas que se esparcen por toda la celda.

Las pequeas burbujas tienden a flotar arrastrando petrleo y slidos, formando una especie de nata que es removida por medio de paletas a ambos lados de cada cmara. La nata baja por las bandejas laterales fuera de la unidad.Como se mencion anteriormente, la separacin ocurre por flotacin. Las gotas de aceite y las partculas de slidos tienden a adherirse de las burbujas de aire, por lo que suben a la superficie para formar espuma que es removida mecnicamente.

Los diseos de gas disuelto toman una porcin de agua tratada y la saturan con gas natural o aire en una contactora. A mayor presin, ms cantidad de gas puede ser disuelto en el agua. La mayora de las unidades estn diseadas para una presin de contacto de 20 a 40 psig. Normalmente del 20% al 50% del agua tratada es recirculada para que se contacte con el gas o el aire. El agua saturada, es luego inyectada en el tanque de flotacin, all el gas disuelto o el aire rompe la solucin y se libera en forma de burbujas de pequeo dimetro que contactan las gotas de aceite en el agua y las llevan a la superficie en una espuma.

3.1.8 Unidades de filtracin

El sistema de tratamiento tiene como finalidad la optimizacin de la calidad del agua, para que sea lo ms compatible con las formaciones a la que va a ser inyectada o vertida. Una parte importante en un proceso de tratamiento de aguas residuales es la existencia de las unidades de filtracin.

Estas son tanques cerrados y a presin, que se usan para filtrar slidos y aceites contenidos en el agua los cuales son indeseables o perjudiciales en la operacin de inyeccin y /o vertimiento. Al pasar el fluido sucio a travs del filtro, la mayora de los slidos y aceites son removidos. El fluido una vez ha sido filtrado fluye a la descarga de agua limpia. El flujo contina de esta forma hasta que el lecho filtrante debe ser regenerado.

Los filtros se utilizan para eliminar los slidos en suspensin y los hidrocarburos insolubles del agua de produccin, las aguas superficiales, agua de mar, ro, lago, y agua de pozo.

Durante el proceso de filtracin el agua entra cerca a la parte superior de la unidad y los flujos bajan a travs del lecho filtrante. El agua filtrada fluye a travs del lecho, y salen cerca de la base del filtro, mientras que las gotas de aceite y partculas slidas se quedan atrapadas dentro del lecho.

El proceso de filtracin contina hasta que los lechos se convierten en un perjuicio considerable; para limpiar estos medios peridicamente se usa un ciclo de "retrolavado", que se realiza cuando se da una importante cada de presin dentro del sistema, o cuando el tiempo presente de ejecucin es alcanzado, momento en el cual, la cmara se retrolava para limpiar los medios. Durante este proceso el aceite es despojado del lecho, el cual se vuelve a depositar en el interior del filtro y el proceso se repite.

3.1.9 ELECTRO-COAGULACIN

Es un sistema de tratamiento de aguas que no requiere el uso de Qumicos, Polmeros o aditivos para su funcionamiento. Mediante la induccin de cargas elctricas esta tecnologa logra materializar el fenmeno de coagulacin, parte esencial en el tratamiento de aguas.

Esta tecnologa es altamente eficaz en el tratamiento de turbidez, el pH, los metales pesados y otros contaminantes comnmente presentes en el agua, incluyendo las grasas y los aceites.

El proceso de electrocoagulacin consiste en la induccin de corriente a travs de un nodo y un ctodo con lo cual se buscar la desestabilizacin de cualquier sustancia disuelta, ion o partcula elctricamente suspendida presente en el agua. Existen dos fenmenos clave dentro del proceso:

La electrocoagulacin es iniciada desde el nodo cuando la corriente es aplicada al metal de sacrificio dentro de la solucin. Este fenmeno da lugar a la desestabilizacin, a la coagulacin y a la floculacin. En la electrocoagulacin los iones del metal liberados del nodo se combinan con los contaminantes en el agua para formar flculos de mayor tamao.

La Electroflotacin es iniciada en el ctodo cuando la corriente es aplicada y se genera hidrgeno y oxgeno. Estos gases migran hacia la superficie favoreciendo el fenmeno de electro flotacin. Al mismo tiempo, la presencia de oxigeno favorece la oxidacin de sustancias presentes en la solucin. En la electro flotacin los gases generados del ctodo hacen que los flocs coagulados precipiten y la fase de menor densidad flote.

FASES DE LA ELECTROCOAGULACIN

Fase de desestabilizacin: Consiste en la neutralizacin de las cargas elctricas que ocasionan que las partculas se encuentren en suspensin.

Fase de coagulacin: Consiste en la formacin de partculas suspendidas de mayor tamao a partir de las micro partculas desestabilizadas.

3.1.11 Biocidas

La desinfeccin pretende la destruccin o inactivacin de los microorganismos que puedan generar la aparicin de reacciones qumicas. Los organismos causantes de estos procesos pueden ser bacterias, protozoos y algunos otros. Para llevar a cabo la desinfeccin se pueden utilizar distintos tratamientos: Tratamiento fsico (calor, radiacin), pero fundamentalmente se utilizan agentes qumicos con propiedades nocivas para las especies biticas.

3.2 EQUIPOS PARA EL TRATAMIENTO SECUNDARIO

A continuacin se enuncian los equipos principales usados en el tratamiento secundario de aguas residuales:

3.2.1. INTERCAMBIO IONICO

Fuente: http://www.aquatracta.com/Edificios.Descalcificacion.2.html

Es una operacin en la que se utiliza un material, habitualmente denominado resinas de intercambio inico, que es capaz de retener selectivamente sobre su superficie los iones disueltos en el agua, los mantiene temporalmente unidos a la superficie, y los cede frente a una disolucin con un fuerte regenerante.

La aplicacin habitual de estos sistemas, es por ejemplo, la eliminacin de sales cuando se encuentran en bajas concentraciones, siendo tpica la aplicacin para la desmineralizacin y el ablandamiento de aguas, as como la retencin de ciertos productos qumicos y la desmineralizacin de jarabes de azcar.

Las propiedades que rigen el proceso de intercambio inico y que a la vez determinan sus caractersticas principales son las siguientes:

Las resinas actan selectivamente, de forma que pueden preferir un in sobre otro con valores relativos de afinidad de 15 o ms. La reaccin de intercambio inico es reversible, es decir, puede avanzar en los dos sentidos. En la reaccin se mantiene la electroneutralidad.

Hay sustancia naturales (zeolitas) que tienen capacidad de intercambio, pero en las industrias se utilizan resinas polimricas de fabricacin sinttica con muy claras ventajas de uso.

Entre las ventajas del proceso inico en el tratamiento de aguas cabe destacar:

Son equipos muy verstiles siempre que se trabaje con relativas bajas concentraciones de sales. Actualmente las resinas tienen altas capacidades de tratamiento, resultando compactas y econmicas Las resinas son muy estables qumicamente, de larga duracin y fcil regeneracin Existe cierta facilidad de automatizacin y adaptacin a situaciones especficas

3.2.2. PROCESOS DE OXIDACIN AVANZADA (POA)

Los procesos de oxidacin avanzada (POA) son una tecnologa diseada para la remocin de los contaminantes orgnicos que no son tratables por mtodos convencionales debido a su fuerte estabilidad qumica y/o baja biodegradabilidad. El uso de dos o ms oxidantes combinados, sin embrago, posibilita la interaccin sinrgica entre ellos, lo que produce una degradacin adicional de la materia orgnica. Los POA tienen un alto potencial oxidativo debido a los radicales de tipo hidroxilo, los cuales transforman estos compuestos en productos inofensivos como CO2 y H2O. A pesar de que la oxidacin qumica para mineralizacin completa es normalmente costosa, su combinacin con tratamientos biolgicos reduce ampliamente los costos de operacin.

FENTON

El proceso de oxidacin avanzada Fenton hace uso de una combinacin de perxido de hidrgeno y un catalizador ferroso para producir radicales OH que se encargan de oxidar los compuestos orgnicos presentes en el agua.

OZONIZACIN

Este proceso consiste en la utilizacin de ozono como agente oxidante. El ozono tienen una alta reactividad y no produce THMs, adems de que su poder desinfectante es aproximadamente 100 veces mayor que el del cloro y no deja residuos ya que se degrada a oxgeno, por lo que representa una alternativa atractiva para el proceso de oxidacin. El proceso de ozonizacin se puede combinar con la adicin de perxido de hidrgeno, lo que acelera la descomposicin del ozono y la formacin de radicales hidrxidos, ayudando en la degradacin de la carga orgnica.

PERXIDO DE HIDRGENO (H2O2)

El perxido de hidrgeno tiene mayor potencial oxidante que el cloro, el dixido de cloro y el permanganato de potasio, siendo superado levemente slo por el ozono. El objetivo de los Procesos de Oxidacin Avanzada, en conexin con el perxido de hidrgeno, es producir radicales de oxgeno libres combinando el perxido con Ozono o UV. El resultado es un proceso robusto que logra la degradacin de sustancias difciles de oxidar por mtodos convencionales, y que no deja residuos.

Fuente:http://www.madrimasd.org/blogs/remtavares/2008/12/16/109472

3.2.3. PrecipitacinConsiste en la eliminacin de una sustancia disuelta indeseable, por adicin de un reactivo que forme un compuesto insoluble con el mismo, facilitando as su eliminacin por cualquiera de los mtodos descritos en la eliminacin de la materia en suspensin. Algunos autores incluyen en este apartado la coagulacin-floculacin. Sin embargo, el trmino precipitacin se utiliza ms para describir procesos como la formacin de sales insolubles, o la transformacin qumica de un ion en otro con mayor o menor estado de oxidacin que provoque la formacin de un compuesto insoluble. Un reactivo de muy frecuente uso en este tipo de operaciones es el Ca2+, dada la gran cantidad de sales insolubles que forma, por ejemplo es el mtodo utilizado para la eliminacin de fosfatos (nutriente). Adems posee cierta capacidad coagulante, lo que hace su uso masivo en aguas residuales urbanas y muchas industriales de caractersticas parecidasPrecipitantes propuestos segn contaminantes

Fuente: Autores

3.3 EQUIPOS PARA EL TRATAMIENTO TERCIARIO

A continuacin se enuncian los equipos principales usados en el tratamiento terciario de aguas residuales:

3.3.1 ELECTRODIALISIS Y ELECTRODIALISIS INVERSA

La Electrodilisis es un proceso de separacin electroqumica en el que las membranas cargadas y una diferencia de potencial elctrico se usan para separar especies inicas y otros componentes no cargados de una solucin acuosa.

La electrodilisis hoy en da es utilizada ampliamente para la desalacin del agua salobre, y en algunas zonas del mundo es el proceso principal para la produccin de agua potable.

El desarrollo del intercambio inico de membrana, con mejores selectividades, menor resistencia elctrica y con propiedades trmicas, qumicas y mecnicas mejoradas, ha generado un gran inters en las aplicaciones de la electrodilisis, especialmente en la industrias de la alimentacin, medicamentos y procesos qumicos, as como en biotecnologa y en el tratamiento de aguas residuales.

La electrodilisis es un proceso conocido en principio desde hace ms de ochenta aos, sin embargo la utilizacin a escala industrial comenz hace aproximadamente veinticinco aos. La electrodilisis clsica o estndar unidireccional se desarroll durante los aos cincuenta, sin embargo, durante las dos dcadas y media pasadas la caracterstica principal ha sido el desarrollo del proceso de polaridad inversa que se conoce como electrodilisis inversa (EDI)Esta tcnica ha desplazado a la electrodilisis unidireccional de la mayora de las aplicaciones de agua salobre. El ltimo nfasis en el desarrollo de la electrodilisis es la aplicacin de electrodilisis inversa para recuperacin de recursos y control de la contaminacin.Proceso estndar de electrodilisis. En este proceso el agua fluye entre membranas permeables catinicas y aninicas, colocadas alternadamente, en lo que se construye como un acumulador o mdulo de electrodilisis. La corriente continua suministra la fuerza para la migracin inica a travs de las membranas, y los iones son eliminados o concentrados en los pasos de agua alternativos por medio de las membranas permeablemente selectivas. Entre cada juego de membranas se ubica una malla que sirve para separar las mismas, para soporte de estas y que genera canales de flujo a travs de los cuales la solucin pasa, generando turbulencia lo cual mejora la transferencia de iones.

La membrana de intercambio catinico est cargada negativamente y es permeable para cationes como los de sodio (Na+) y calcio (Ca2+), mientras que es impermeable para aniones tales como el cloruro (Cl-), sulfato (SO4 2- )entre otros. Las membranas de intercambio aninico estn cargadas positivamente y se comportan de modo opuesto.

La electrodilisis requiere regularmente la adicin de cido y/o secuestrante a la corriente de concentrado, con el fin de inhibir la precipitacin de sales solubles como CaCO3 y CaSO4 en el acumulador. Para mantener el rendimiento, del acumulador o mdulo de electrodilisis, este debe limpiarse peridicamente para eliminar incrustaciones y otras materias ensuciadoras de las superficies.

Las soluciones especiales de limpieza (cidos o bases diluidas) se hacen circular a travs del acumulador, pero este necesita desmontarse y limpiarse mecnicamente a intervalos regulares para eliminar la incrustacin y otros materiales superficiales. El desmontaje regular es una operacin que consume tiempo y representa una desventaja del este proceso.

Proceso de electrodilisis inversaEl proceso de electrodilisis inversa opera sobre los mismos principios bsicos del proceso estndar de electrodilisis, con la principal diferencia que la polaridad de los electrodos se invierte peridicamente, aproximadamente de 3 a 4 veces por hora y por medio de vlvulas motorizadas, se intercambian las salidas del acumulador de membrana del agua producto y del agua residual.

Los iones son transferidos as en direcciones opuestas a travs de las membranas, lo cual ayuda a la rotura de la incrustacin y al lavado y salida al exterior de lodos y otros depsitos de las celdas que componen el mdulo de electrodilisis.

La operacin automtica del proceso de electrodilisis inversa normalmente elimina la necesidad de dosificar cido y/o secuestrantes y la formacin de incrustacin en los compartimentos de los electrodos se minimiza debido al cambio continuo de condiciones cidas a bsicas.

La capacidad de la electrodilisis inversa para controlar la precipitacin de la incrustacin de formas ms efectiva que la electrodilisis normal es otra gran ventaja de este proceso, especialmente para las aplicaciones que requieren altas recuperaciones de agua.

Consideraciones y aplicaciones principalesEl uso de la electrodilisis y electrodilisis inversa para la eliminacin de contaminantes del agua y agua residual est generalmente restringido a los iones pequeos como sodio, calcio, cloruro, sulfato, entre otros, cuando los grandes iones orgnicos estn presentes en solucin, la conductividad elctrica y permeselectividad de la membrana disminuye, con el efecto adverso sobre el rendimiento de la desalacin.

Algunas de las aplicaciones ms importantes para estos dos procesos son: Desalacin del agua salobre. Desalacin de agua marina. Desmineralizacin de suero. Recuperacin de metales y aguas de lavado de electrodeposicin. Desalacin de purga de agua de fibra de refrigeracin. Recuperacin de cidos y bases de efluentes cidos usados. Desmineralizacin del vino. Desmineralizacin del azcar.

Sin embargo es importante resaltar que estas tcnicas estn limitadas por la gran cantidad de energa que consumen o requieren para producir la corriente constante que impulsa la purificacin y bombea el agua a travs del sistema y por la dificultad que se presenta para el cambio de las membranas y resinas. Es por esto, que no son recomendados para aguas con ms de 5000 mg/l de cloruros ya que el gasto de energa y membranas en el proceso es directamente proporcional a la cantidad de sales a separar.

En la industria colombiana esta tcnica es poco empleada para el tratamiento de aguas de produccin, ya que la salinidad de las mismas es muy alta, sin embargo a nivel mundial, la electrodilisis inversa es empleada con xito en algunos procesos de reutilizacin de aguas saladas en las refineras, especialmente para las calderas y torres de enfriamiento.

3.3.2. OSMOSIS INVERSA

La osmosis es un proceso natural fundamentado en el equilibrio. En la naturaleza se conoce en procesos tan importantes como la entrada de agua a las clulas y consiste bsicamente en el paso del agua a travs de una membrana semipermeable o porosa desde una solucin con menor concentracin de sales hacia otra con mayor concentracin salina.

Fuente: www.drinking-water.org

Este movimiento del agua se producir hasta que se alcance el equilibrio, es decir hasta que se igualen las concentraciones entre los dos fluidos. La fuerza que impulsa este movimiento se conoce como presin osmtica y est relacionada con la concentracin de sales en las soluciones.

La osmosis inversa es entonces la reversin de este proceso mediante la aplicacin de una presin mayor a la presin osmtica sobre la solucin de mayor concentracin de sales, lo cual ocasionara que el agua migre a travs de la barrera semipermeable hacia la solucin con menor concentracin salina, obteniendo en la barrera las sales que se encuentran en la solucin.

Componentes bsicos de un sistema de osmosis inversaUn sistema de Osmosis inversa tiene los siguientes componentes bsicos: Fuente: http://www.pureaqua.es/26-tratamiento-de-aguas-sistemas/1-sistemas-de-osmosis-inversa.html

Arreglo de tubos de presin donde se contiene la membrana, los cuales se disean normalmente en serie o en paralelo. Membranas para realizar la retencin de los contaminantes de inters. Una bomba que suministra en forma continua el fluido a tratar a los tubos de presin y que ejerce la fuerza necesaria para vencer la presin osmtica y realizar el proceso. Una vlvula reguladora en la corriente de concentrado, es la encargada de controlar la misma dentro del arreglo de membranas (se denominan as a las membranas convenientemente dispuestas en los tubos). Igualmente se cuenta con medidores para la presin y para los caudales de entrada y salida de los flujos del sistema y con tableros de control elctrico de todo el sistema.

Es importante mencionar que un sistema de osmosis inversa para aguas industriales especialmente de la industria del petrleo, requiere que el agua de entrada tenga la menor cantidad de solidos disueltos y solidos suspendidos posibles, as como cero grasas y aceites para que las membranas funcionen correctamente y tengan una vida til que haga viable econmicamente el proyecto.

Por esta razn es indispensable contar con un pre tratamiento, tratamiento primario, secundario e incluso micro filtracin del agua antes que esta ingrese al sistema de osmosis inversa.

Estas necesidades previas al sistema de osmosis inversa hacen que los costos asociados a la tcnica sean elevados en comparacin con otros tratamientos, adicionalmente la vida til de las membranas se ve fuertemente impactada, ya que en aguas de produccin, las grasas y aceites no se alcanzan a remover en un 100% y adicionalmente la cantidad de solidos disueltos suele ser muy alta.

Membranas semipermeables

Las membranas son el corazn del sistema y de su cuidado depende el funcionamiento de todo el tratamiento de osmosis inversa.

Hay varios tipos de membranas y las mismas se deben elegir de acuerdo a las condiciones del agua que se va a tratar. Anteriormente las membranas se hacan de acetato de celulosa, sin embargo este material no soporta niveles de pH que salgan del rango de 2 a 9 y en temperaturas arriba de 35C. Adems las membranas de acetato de celulosa tienen una resistencia qumica limitada.

Actualmente se han desarrollado materiales cermicos y membranas polimricas, incluyendo polisulfonatos, fluoruro de polivildieno, poliacrilonitrilos y poliamida. Comparadas con las de acetato de celulosa, las membranas de polisulfonatos estn hechas para desempeo en un rango de pH entre 1 a14, a una temperatura mxima de 110C, con buena resistencia qumica.

Los cermicos se usan en sistemas tubulares, generalmente en aplicaciones donde se necesita resistencia a pH extremos y niveles de temperatura extremos. Muchos de estos materiales han sido combinados en estructuras multipolimricas, en donde una membrana delgada de un material, por ejemplo, polisulfonato es aadido a la superficie de un material de soporte diferente como el polister.

Normalmente las membranas se usan en arreglos o mdulos que se disean en serie o en paralelo, pero de acuerdo a la forma del mdulo o el arreglo que se utilice, se conocen principalmente 3 tipos de membranas a utilizar:

Membrana tubular

Consisten en largos tubos porosos con longitudes que oscilan entre los 1,5 y 3 m. y con dimetros entre 0,5 y 1 pulgada, los cuales llevan, concntricamente, en su interior la membrana. El agua bruta se hace circular por el interior, recogindose el agua permeada entre la pared exterior de la membrana y la interior del tubo contenedor.Fuente: www.drinking-water.org

Membrana de fibra hueca.

Estn constituidas por miles de fibras huecas (tubos capilares) formando un haz en el interior del contenedor y cuyos extremos se insertan en un soporte de resina epoxi. El dimetro exterior de estos capilares oscila entre 60 y 80 micras para la poliamida y 200 a 300 micras para el acetato. El agua es obligada a pasar a travs de la pared del capilar de espesor aproximado de 20 micras.Fuente: www.drinking-water.org

Membrana tipo espiralesFuente: www.drinking-water.org

Consisten en hojas de membrana que se sitan sobre un soporte poroso y un espaciador, ese conjunto se enrolla sobre un tubo de PVC que servir como colector de agua permeada

La capacidad de filtracin de las membranas depende principalmente de los siguientes parmetros: La composicin qumica del fluido a filtrar y al material semipermeable que se requiere debido a su composicin. La temperatura del fluido. Presin de operacin. Slidos totales disueltos a ser removidos.

Aplicaciones de la smosis inversa y consideraciones generales. La smosis inversa puede aplicarse en un campo muy diverso entre los cuales se mencionan los siguientes: Abastecimiento de aguas para usos industriales y consumo de poblaciones. Tratamiento de efluentes municipales e industriales para el control de la contaminacin o recuperacin de compuestos valiosos reutilizables. Industria de la alimentacin, para la concentracin de alimentos (jugo de frutas, tomate, leche, etc). Industria farmacutica, para la separacin de protenas, eliminacin de virus, entre otros. Industria cosmtica. Agua de enjuagado electrnico, galvnico e industrias del vidrio. Sodas y plantas de embotellamiento. Aguas de alimentacin de caldera y sistemas de vapor. Hospitales y laboratorio. Medioambiente (Reciclaje) Desalinizacin.

En la industria petrolera su principal inters se centra en la remocin de cloruros donde se logra una retencin del orden del 90 al 95% de estos, sin embargo para realizar esta labor, se requiere un agua que preferiblemente solo contenga este anin y no como en las aguas de produccin, que se presentan varios aniones y cationes, que como el Bario generan problemas casi inmediatos de incrustaciones en el sistema de membranas, lo cual afecta significativamente la vida til de las mismas y por ende los costos del sistema.

Por otra parte en todo sistema de osmosis inversa se obtiene un rechazo, el cual presenta una concentracin muy alta de las sales que se estn removiendo en el proceso y este efluente que normalmente es del 10% del fluido tratado, requiere de otros procesos especficos y especializados para su disposicin final.

3.3.3. EVAPORACION

Evaporacin trmica

La evaporacin trmica es un proceso fsico cercano a la destilacin, que consiste en pasar de forma gradual un lquido a estado gaseoso mediante la aplicacin de la suficiente energa en forma de calor, para vencer la tensin superficial del mismo.

Ocurre ms rpido cuando se alcanza la temperatura de ebullicin, pero no es necesario que todo el lquido alcance la temperatura de ebullicin para iniciar a evaporarse.

Como mtodo para separar el agua de los componentes con los que esta se encuentra mezclada, puede ser uno de los ms efectivos, pero los altos costos de energa de la evaporacin simple a presin atmosfrica, lo convierten en un proceso inaceptable econmicamente.

Es por esto que en la industria se trabaja con diversas formas de evaporacin, que varan del mtodo tradicional para hacerla ms eficiente y que la tcnica tenga mejores posibilidades der ser utilizada en los diferentes sectores en los que se puede aplicar.

Evaporacin al vaco

La evaporacin al vaco consiste en reducir la presin del interior de la caldera por debajo de la presin atmosfrica. Esto permite disminuir la temperatura de ebullicin del lquido a evaporar, lo cual reduce la cantidad de calor a aportar en el proceso de ebullicin y de condensacin. De esta forma, incluir condiciones de vaco en la caldera de los sistemas de evaporacin, permite aumentar el rendimiento termodinmico del proceso, es decir que se aplica menos calor y se ahorra energa.

Con bomba de calor

La evaporacin con bomba de calor utiliza el ciclo frigorfico del gas fren, mediante la accin de la compresin del gas que se condensa y cede calor al lquido a evaporar por intercambio trmico, posteriormente se procede a la expansin del gas por medio de una vlvula termosttica y de la accin de un condensador que refrigera el lquido evaporado y extrae el destilado.

Fuente:http://www.dowwaterandprocess.com/en/industries-and-applications/industrial_water/boiler_feed_and_process_water/desmineralization

Este reactor de evaporacin al vaco, permite lograr la evaporacin a temperaturas sobre los 40 C, por lo cual no se necesita ninguna otra entrada de calor ni refrigeracin, lo que lo vuelve un proceso muy atractivo desde el punto de vista econmico.

As mismo, este sistema de baja temperatura de evaporacin permite una gran diversidad de aplicaciones, incluso para lquidos muy corrosivos, mediante aleaciones especiales y recubrimientos de tefln, sistemas de evaporacin hasta residuo seco, lquidos fuertemente incrustantes o que cristalizan.

Por termo compresin

La evaporacin por termo compresin trata de recuperar el calor latente de condensacin del destilado como fuente de calentamiento del lquido a evaporar. Mediante esta operacin, la temperatura del vapor generado en la evaporacin se incrementa mediante compresin del propio vapor. De esta manera el vapor sobrecalentado puede ser reciclado por medio de un intercambiador del propio evaporador, consiguindose un doble objetivo, ahorro de energa para la evaporacin y evitar el medio refrigerante para la condensacin.Fuente: https://desalinizaciondelagua.wordpress.com/category/destacado/

Por efecto mltiple

La evaporacin por efecto mltiple, consiste en una serie de evaporadores en donde se hace decrecer la presin de forma progresiva del primero al ltimo, por lo cual el Vapor producido en el primer evaporador se utiliza como medio de calentamiento del evaporador sucesivo a la vez que este condensa a lquido. La principal ventaja de este sistema, respecto del sistema de efecto simple, consiste en el ahorro del fluido de calentamiento, debido al aporte ms efectivo de la energa trmica lo cual redunda en consumos de energa mucho ms bajos que en las otras tcnicas.

Fuente: https://desalinizaciondelagua.wordpress.com/category/destacado/

Es de suma importancia, que independientemente del tipo de evaporador que se escoja y de la especificidad del proceso, se tengan en cuenta los siguientes criterios generales cuando se va a elegir o disear un proceso de evaporacin.

Caractersticas del fluido a tratar y del solido que se espera obtener. Las caractersticas del producto, incluyendo calor sensible, viscosidad y propiedades de flujo, tendencias a hacer espuma, al ensuciamiento y a la precipitacin, el comportamiento de ebullicin, etc. Capacidad y datos de operacin, incluyendo cantidades de trabajo del equipo, concentraciones, temperaturas, horas de funcionamiento anuales, controles de automatizacin, etc. Todo lo referente a consumos de energa y mantenimiento de los equipos. Inversin y otros costos financieros. Tipo de personal requerido para la operacin, costos del personal y costos del mantenimiento preventivo. Estndares y condiciones de fabricacin, tales como entrega, parmetros de aceptacin, etc. Seleccin de materiales de construccin y acabado de superficies. Condiciones del sitio de trabajo, tales como espacio disponible, condiciones del clima (para sitios a la intemperie), conexiones de energa, proximidad a comunidades, o ecosistemas sensibles, etc. Regulaciones legales que cubran aspectos de seguridad, prevencin de accidentes, emisin de sonidos, requerimientos ambientales, y otros, dependiendo del proyecto especfico.

La evaporacin trmica es una tcnica que en la industria petrolera colombiana no se ha implementado a gran escala, y solo se conocen en el sector algunos proyectos piloto realizados en campos de Ecopetrol, los cuales no han resultado satisfactorios, ya que los costos de la energa que requiere son muy elevados.

As mismo, teniendo en cuenta que actualmente existen otras tcnicas para la reutilizacin y/o disposicin del agua y que el exceso de gas en los campos petroleros es utilizado para generar energa elctrica, la evaporacin trmica queda como un sistema poco atractivo, de alto costo, que las empresas no consideran entre sus opciones.

Evaporacin mecnica

La evaporacin mecnica se basa en la atomizacin o pulverizacin del agua a temperatura ambiente, haciendo pasar la misma de forma controlada por un rotor que gira a 3600 rpm impulsando el agua contra una platina con orificios de dimetros controlados, donde el agua impacta y sale disparada por unas boquillas que la lazan al medio en tamaos promedio de 150 micras, aproximadamente a 4 metros de altura.

Este proceso de evaporacin mecnica o atomizacin del agua, se realiza sin ningn tipo de calor aplicado y son los evaporadores los que pulverizando el agua en tamaos de los rdenes mencionados anteriormente, forman una nube o neblina, tan fina que al entrar en contacto con la masa de aire con bajo contenido de humedad de la atmosfera, se integra rpidamente a la misma.

Consideraciones Generales. Los evaporadores pueden funcionar flotando sobre el agua que se va a evaporar o en una superficie dura, donde son instalados y el agua es llevaba hasta cada equipo por medio de bombas y tuberas.

Esta tcnica no requiere un tratamiento previo avanzado, lo cual se constituye en una ventaja ya que los evaporadores pueden tolerar hasta 800 mg/l de grasas y SST y las altas concentraciones de sales disueltas no le afecta ya que trabaja hasta con 50000 mg/l.

Los ambientes caliente, secos y con vientos son ms favorables para la evaporacin del agua atomizada, que los que presentan una humedad relativa alta y lluvias constantes o donde el viento es muy escaso.

Uno de los puntos importantes que ofrece la evaporacin mecnica, es que el consumo de energa es slo una fraccin de la que se consume por otros tratamientos como la inyeccin de agua o la evaporacin tradicional, con tan soloaprox. 0.34 Kwhr/bbl.

Es importante tener en cuenta, que en esta tcnica de evaporacin mecnica, el control y monitoreo de los contaminantes solidos que salen con la niebla que se forma en el proceso, es de suma importancia y es indispensable tener completamente caracterizada el agua que se va a evaporar y contar los controles fsicos y reas duras para evitar que los contaminantes solidos salgan del rea de operacin y generen problemas ambientales.

Igualmente se necesita de un rea de trabajo impermeabilizada y la logstica necesaria de acuerdo al balance de masas de los contaminantes presentes en el agua, para poder realizar su manejo, retiro y posterior disposicin final adecuada, de acuerdo a la naturaleza de los mismos.

Cada evaporador requiere en promedio 120 metros cuadrados de rea para su operacin, lo cual debe tenerse en cuenta en el momento de disear el tratamiento completo del agua.

Por otra parte es importante controlar el nivel de ruido de los evaporadores y para esto tambin se requieren barreras que pueden ser utilizadas con doble propsito, evitar que los contaminantes solidos migren del lugar por accin de los vientos y reducir el ruido que generan estos equipos.

La evaporacin mecnica es una tecnologa que ingresa recientemente al pas, a travs de la empresa PWES, la cual tiene la representacin para Colombia de la empresa SMI Evaporative Solutions, quienes a nivel mundial son lderes en esta materia.

A nivel mundial se ha empleado esta tcnica, especialmente en minera a cielo abierto, sin embargo en el sector de hidrocarburos no se cuenta con la suficiente experiencia en la aplicacin de la misma. De acuerdo con la gerencia de aguas deEcopetrol, en el campo la creciente de la empresa Pacific Rubiales Energy Corp, se estarn realizando en 2014 las primeras pruebas con esta tecnologa para el tratamiento de aguas de produccin en Colombia.