23º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental
III-143 - AVALIAÇÃO DA BIODEGRADABILIDADE DOS COMPONENTES
PRINCIPAIS DOS FLUIDOS DE PERFURAÇÃO BASE NÃO-AQUOSA : nPARAFINA, ÉSTER E OLEFINA, UTILIZADOS NA PERFURAÇÃO DE POÇOS
DE PETRÓLEO E GÁS
Eudrades José Chaves Júnior
Graduando em Engenharia Ambiental pela Universidade Federal do Espírito Santo (UFES). Aluno de
iniciação cietífica bolsista CNPq – LABSAN – DEA – CT – UFES.
Francisco Augusto Tavares Borges
Engenheiro Químico, pela Universidade Federal de Sergipe (UFS-SE), mestrando do Programa de Pósgraduação em Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Espírito Santo (PPGEA - UFES) , Químico
do Petróleo da empresa Petróleo Brasileiro S.A. (PETROBRAS).
Ricardo Franci Gonçalves
Engenheiro Civil e Sanitarista - UERJ (1984), pós-graduado em Enga de Saúde Pública - ENSP/RJ (1985),
DEA Ciências do Meio Ambiente - Universidade Paris XII, ENGREF, ENPC, Paris (1990), Doutor em
Engenharia do Tratamento e Depuração de Águas - INSA de Toulouse, França (1993), Prof. Adjunto do DEA
e do PPGEA – UFES.
Sérvio Túlio Alves Cassini(1)
Biólogo – UFMG (1975), PhD Microbiologia pela Universidade Estadual da Carolina do Norte (NCSU) –
EUA (1988), Pós Doutorado em Microbiologia Ambiental pela Universidade do Tennessee – EUA (1997),
Prof. Adjunto do DEA e do PPGEA – UFES.
Endereço(1): Departamento de Engenharia Ambiental – Universidade Federal do Espírito Santo – Agência
FCAA – Vitória – ES – CEP.: 29060-970 – Brasil – Tel.: (027) 3335-2860 - Fax: (027) 3335-2165 e-mail:
[email protected]
RESUMO
Atualmente, a perfuração de poços de petróleo e gás emprega diferentes tipos de fluidos, nas diferentes fases
em que se está perfurando o poço. Esses fluidos podem ter comumente água (ABF - Aqueous Based Fluid)
como fase contínua, ou, em outras situações, principalmente em poços de grande inclinação e poços
marítimos, um fluido sintético (SBF - Synthetic Based Fluid). Os componentes principais desses fluidos
sintéticos são principalmente: alcanos (como a n-parafina), alcenos (olefinas em geral),éteres e ésteres (óleos
vegetais). Dentre as atribuições em se empregar esses fluidos, estão: estabilizar e lubrificar a coluna de
perfuração, impedir o desmoronamento das paredes do poço durante a perfuração, carrear para a superfície o
cascalho impregnado com o fluido, entre outras. Dessa maneira, o descarte de cascalhos, sem qualquer
tratamento prévio, ou mesmo, sem a segurança de que esse resíduo sofrerá atenuação no ambiente, torna-se
um importante fator de impacto, principalmente sobre as comunidades bentônicas. Esse trabalho buscou
identificar a ocorrência de bactérias com capacidade para degradar esses três compostos (n-parafina, olefina e
éster) em diferentes tipos de solo, caracterizar quanto ao teste de gram, e também, quantificar a capacidade de
biodegradação dos isolados em relação a esses compostos orgânicos. Foram obtidas linhagens de bactérias em
todas as amostras de solo analisadas, com exceção das amostras de solo marinho, onde não se conseguiu isolar
bactérias com capacidade para degradar éster. Dentre os resultados preliminares obtidos para degradação
aeróbia dos substratos carbonáceos, avaliando-se linhagens isoladas, a parafina mostrou uma taxa de
biodegradação superior à medida em relação ao éster e a olefina. Esses valores vão de encontro aos dados
encontrados nas referências, que relatam a seguinte seqüência decrescente de biodegradação: éster > olefinas >
parafinas. Nossos resultados sugerem que a biodegradação desses compostos pode ser influenciada
diretamente pelo tipo de agente degradador, e em segunda escala, pelo ambiente de descarte, sendo necessário
a realização de testes com outras cepas para se determinar essa real discrepância.
PALAVRAS-CHAVE: Biodegradação, fluido-sintético, bactérias.
INTRODUÇÃO
Atualmente, a perfuração rotativa de um poço de petróleo e gás é feita por meio de rotação de uma broca sob
uma coluna de perfuração, através da qual uma mistura de água e outros componentes químicos, chamada de
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fluido de perfuração, é injetada e retorna à superfície por um espaço entre a broca e o poço, comumente
chamado de anular, carreando até a superfície todo o sedimento (cascalho) removido pela ação dessa broca
(Clark, 1998).
Os fluidos de base não-aquosa foram desenvolvidos para substituir os fluidos à base de óleo mineral (óleo
diesel, por exemplo), obtendo as propriedades e eficiência dos óleos minerais, mas com a vantagem de possuir
uma fase orgânica não-tóxica e uma alta biodegradação (Peresich et al. 1991 apud Perie et al. 1995).
A deposição dos cascalhos de perfuração no fundo marinho é provavelmente o maior fator de impacto
ambiental em operações de perfuração de poços de petróleo e gás em regiões off-shore (Munro et al. 1997).
O tratamento biológico (biorremediação) é considerado um dos meios mais efetivos para tornar os cascalhos
ecologicamente aceitáveis, previamente ou durante a sua disposição no mar (Perie et al. 1995), além de ser o
método indicado pela ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), na NBR 14.283 Resíduos em solos
– Determinação da Biodegradação pelo Método Respirométrico.
E é nesse âmbito, que os estudos de biodegradação dos componentes principais dos fluidos de perfuração base
não-aquosa de poços de petróleo e gás se fazem necessários, e podem ser uma importante ferramenta em
projetos que visem o desenvolvimento de tecnologias mais baratas e ecologicamente mais viáveis para o
tratamento dos cascalhos por intermédio da biorremediação.
OBJETIVO
Os objetivos do trabalho em questão foram:
•
Proceder o isolamento e caracterização de microrganismos ambientais que desenvolvam-se a partir de
fluidos de perfuração de base não aquosa como fonte primária de carbono.
•
Realizar ensaios de biodegradabilidade aeróbia e anaeróbia para avaliar o potencial de
biodegradabilidade, nessas condições, dos fluidos de perfuração, bem como, das cepas de
microrganismos isolados a partir das amostras ambientais.
MATERIAIS E MÉTODOS
A pesquisa foi realizada em três etapas distintas descritas a seguir:
1a etapa: amostragem e enriquecimento das amostras ambientais de solo e lodo;
2a etapa: isolamento e caracterização das cepas de bactérias com capacidade para assimilação dos
componentes principais dos fluidos de perfuração em meio mínimo sólido;
3a etapa: testes de biodegradação de amostras de solo e das cepas seleciodas.
As amostras foram coletadas nos seguintes pontos:
Uma amostra composta de um reator UASB, de uma ETE do tipo UASB+BF’s, uma amostra simples de
efluente tratado dos BF’s, uma amostra simples de solo turfoso de São Mateus – ES (sub-superficial), uma
amostra simples de sedimento estuarino, da Baía de Vitória (sub-superficial), uma amostra simples de solo de
horta (sub-superficial), uma amostra composta de solo de assoalho marinho (sub-superficial), uma amostra
simples de solo contaminado com petróleo (sub-superficial).
Essas amostras foram levadas para o laboratório e separadas em alíquotas com aproximadamente o mesmo
peso. Cada alíquota foi enriquecida com uma dose da fase orgânica analisada, totalizando três doses de cada
fase, adaptado de Soriano (2003), gerando um total de 10 (dez) amostras, quando somada com a amostra não
enriquecida, e incubada em temperatura ambiente, em local úmido, até aparente crescimento microbiano.
Com crescimento microbiano aparente, uma pequena fração de amostra enriquecida foi diluída em água salina
(0.75% NaCl), identificada e misturada em um agitador de tubos, sendo posteriormente deixada decantar por
aproximadamente 30 minutos. Aproximadamente 0.3 mL do sobrenatante de cada amostra foi pipetada com
micropipeta, e inoculado em placas de petri contendo meio mínimo sólido, antifúngico (Anfotericina B) e a
fase orgânica do fluido como fonte primária de carbono.
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Cada placa foi devidamente identificada e incubada em temperatura 28 ± 0.5ºC em incubadora, e inspecionada
diariamente para crescimento bacteriano.
Cada colônia crescida foi diluída em tubos contendo água salina, e inoculadas em uma nova placa, semelhante
à anterior, para a verificação da formação de halo de inibição de crescimento entre as colônias. Então,
procedeu-se a passagem das colônias isoladas para tubos com tampa, contendo o mesmo meio mínimo,
inclinado, devidamente identificados. Esses tubos foram incubados da mesma maneira que a descrita
anteriormente. Cada colônia foi caracterizada quanto a sua coloração e reação ao teste de Gram.
Os ensaios de biodegradação aeróbia das bases sintéticas: parafina, éster e olefina, foram realizados
adaptando-se a NBR 14.283 – Resíduos em solos - Determinação da Biodegradação pelo método
Respirométrico.
A NBR 14.283 prescreve o método respirométrico estático de Bartha, que baseia-se na avaliação da evolução
da produção de CO2 e sua reação em solução alcalina, como meio de determinar as taxas de biodegradação de
resíduos orgânicos em substrato sólido. A esse método foi adaptado um sistema semi-estático de absorção de
CO2, que consiste na utilização de ar sintético (isento de CO2 e água) como gás de arraste, conduzindo o
dióxido de carbono (CO2), resultante da degradação aeróbia da base sintética no respirômetro (Fig. 01), à
solução alcalina, e uma medida indireta desse gás por meio da condutividade da solução alcalina receptora,
segundo o método descrito por Rodella & Saboya (1999) & Strotmann et. al.(2004).
Figura 1: Foto do sistema respirométrico em utilização, adaptado da NBR 14283.
Para os ensaios de biodegradabilidade anaeróbia será utilizada a metodologia proposta por Cassini et al.
(2003), avaliando-se as taxas de geração de metano (biogás) em cada amostra ensaiada. Os dados de
respirometria serão utilizados para a seleção das cepas de microrganismos mais eficientes na conversão do
substrato carbonáceo adicionado e conseqüentemente, com maior potencial de biodegradabilidade nas
amostras em estudo.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
1 – ISOLAMENTO E CARACTERIZAÇÃO DAS CEPAS
Em todas as amostras utilizadas como fonte de inóculo, foi possível isolar cepas com capacidade de
biodegradar os substratos oleosos, com exceção das amostras de Assoalho marinho, onde não se conseguiu
isolar nenhuma cepa de bactéria.
As etapas de isolamento das cepas de microrganismos com capacidade para degradação das fases orgânicas
dos fluidos resultaram nos seguintes números que se encontram na Tabela 1:
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Tabela 1 - Quantidade de cepas isoladas nos substratos analisados
Fonte de inóculo
ÉSTER
n-PARAFINA
2
2
Lodo aeróbio
1
4
Lodo anaeróbio
2
5
Turfa
2
4
Mangue
2
2
Solo oleoso
2
Assoalho marinho
2
4
Horta
TOTAL
11
23
OLEFINA
2
2
4
3
3
4
6
24
Dentre os resultados obtidos e esperados, para o isolamento de bactérias com capacidade de degradar as fases
orgânicas dos fluidos de perfuração, a base vegetal do tipo éster resultou na menor quantidade de cepas, com
11 (dez) isolados.
As bases minerais, hidrocarbonetos derivados de petróleo, resultaram na maior quantidade de isolados,
apresentando 23 e 24 microrganismos para as fases de n-parafina (alcano) e olefina (alceno), respectivamente.
Os testes de gram, realizados nas cepas isoladas, revelaram que aproximadamente 80% das bactérias com
capacidade para degradar éster são gram + (positivo), sendo as demais bactérias isoladas para degradar éster,
gram – (negativo). Esse valor de gram + (positivo) cai para cerca 35% quando se trata de cepas com
capacidade de degradar a n-parafina e a olefina, sendo as demais bactérias isoladas para degradar esses
hidrocarbonetos, cerca de 65%, gram – (negativo), como se pode observar na Tabela 2.
Não foram encontrados dados na literatura mencionando esse tipo de caracterização de colônias, ou que
pudessem ser utilizados com base para discussões. Isso pode estar relacionado ao fato de a caracterização de
colônias de bactérias por meio dos testes de gram pode não ser plenamente conclusiva. Ao invés disso,
normalmente usa-se identificar bactérias por meio de investigação genética, que resulta em dados mais
confiáveis, e taxonomicamente mais precisos.
Tabela 2 - Caracterização quali-quantitativa das cepas de isolados
Fonte de inóculo
Lodo aeróbio
Lodo anaeróbio
Turfa
Mangue
Solo oleoso
Assoalho marinho
Horta
TOTAL
ÉSTER
gram +
gram 1
1
1
2
2
2
2
2
9
n-PARAFINA
gram +
gram 2
4
2
3
2
2
1
1
2
2
2
15
8
OLEFINA
gram +
gram 2
2
2
2
2
1
1
2
4
3
3
16
8
2 - MEDIDAS DA BIODEGRADAÇÃO AERÓBIA
Dentre os resultados preliminares obtidos para biodegradação aeróbia dos substratos analisados, foi verificado
que todos esses fluidos apresentam capacidade de degradação, dos quais, a n-parafina alcançou as maiores
taxas de assimilação de COT (carbono orgânico total) por parte das bactérias, seguida pela olefina, e por
último, pelo éster, conforme a figura 02.
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40,00
SO-E3-B
COT total biodegradado (mg)
32,00
AM-O3-A
24,00
16,00
T-P3-B
8,00
CONTROLE
S
0,00
0
26
75
97
124
145
172
193
Tempo total de incubação (horas)
Figura 2: Gráfico da biodegradação dos componentes base dos fluidos de perfuração, em função do
COT biodegradado e do tempo total de incubação. SO-E3-B (cepa isolada degradando éster); AM-O3-A
(cepa isolada degradando olefina); T-P3-B (cepa isolada degradando n-parafina); CONTROLES
(respirômetro controle).
Tais resultados vão de encontro aos dados já obtidos em outros testes em fase sólida.
Munro et. al. (1997), utilizando e implementando o método SOAEFD, demonstraram que a biodegradação dos
ésteres ocorria com maior eficiência, quando comparada aos alcanos e alcenos. Além disso, Munro et. al.
(1997) ainda mostraram que matrizes de solo arenáceas possuem uma menor capacidade de biodegradação em
relação aos fluidos, quando comparada com solos com maior relação argila/areia.
Dittavong (2000, apud. EPA-821-B-00-014,2000), seguindo o método SOAEFD, também demonstrou a
seguinte relação para a biodegradação de fluidos com base sintética, para um tempo total de incubação de 112
dias (2688 horas): éster > olefinas > parafinas.
Os resultados preliminares obtidos, sugerem, portanto, que, há uma influência direta do microrganismo
analisado sobre a real taxa de biodegradação dos compostos em questão.
Testes posteriores, com as demais cepas selecionadas, poderão retificar tais afirmações.
CONCLUSÕES
Por meio dos resultados preliminares, podemos concluir que a biorremediação pode ser uma importante
ferramenta no tratamento de resíduos de perfuração de poços de petróleo e gás, configurando uma tecnologia
inovadora, de mais baixo custo e ecologicamente viável, uma vez que em ambientes tão adversos,
representados pelas amostras ambientais analisadas, há microrganismos capazes de degradarem as bases
orgânicas estudadas, o que, contudo, não significa que a disposição desses resíduos no ambiente, sem que seja
analisada a viabilidade real do tratamento, seja uma solução imediata no tratamento desses resíduos.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1 ABNT (1999). “Resíduos em solos – Determinação da Biodegradação pelo método respirométrico”.
Norma NBR 14.283, fev. 1999, 8p.
2 CASSINI, S. T. et al. Hidrólise e atividade anaeróbia em lodos. In: Digestão de resíduos sólidos orgânicos
e aproveitamento do biogás. 1ª ed. Vitória: RiMa, 2003. p.11-52.
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3 CLARK, K. San Joaquin Geological Society, c.1998. Disponível em: <www.sjgs.com/exploration.html>.
Acesso em: 01/04/2004.
4 EPA 821-B-00-014 (2000). “Environmental Assessment of Final Effluent Limitations Guidelines and
Standards for Synthetic-Based Drilling Fluids and other Non-Aqueous Drilling Fluids in the Oil and Gas
Extraction Point Source Category”. U. S. Enviromental Protection Agency, Ed. by Charles Tamulonis,
December, U.S.A., 97-112.
5 MUNRO, P. D.; MOFFAT, C. F.; STAGG, R. M. Biodegradation of base fluids used in synthetic drilling
muds in a solid-phase test system. In: SPE/UKOOA EUROPEAN ENVIROMENTAL CANFERENCE,
SPE 37861., 1997, Aberdeen, Scotland, UK.
6 PERIE, F. H.; SERIS, J. L.; MARTIGNON, A. P. Biological treatment of drilling waste. In: SPE/EPA
EXPLORATION & PRODUTION ENVIROMENTAL CONFERENCE, SPE 29695, 1995, Houston,
Texas, USA.
7
RODELLA, A. A. & SABOYA, L. V. Calibration for conductimetric determination of carbon dioxide.
In: SOIL BIOLOGY AND BIOCHEMISTRY, 1999, 2059-2060p.
8 SORIANO, A. U. (relatora). Efeito da adição de remediadores na biotratabilidade de sedimentos da Lagoa
de Baixo, Pólo Industrial de Guamaré, UN-RNCE. Relatório técnico CT-BTA 29/2003 –
CENPES/PDEDS/BTA – Rio de Janeiro, RJ, set. 2003.
9 STROTMANN, U.; REUSCHENBACH, P.; SCHWARZ, H.; & PAGGA, U. Development and Evaluation
of an Online CO2 Evolution Test and a Multicomponent Biodegradation Test System. In: Applied and
Environmental Microbyology. American Society for Microbiology, aug. 2004, p.4621-4628.
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