Application of Advanced Oxidation Processes in the Reclamation of Wastewaters from the Oil & Gas Sector

Abstract

Aquesta tesi s'emmarca dins de dos projectes relacionats amb la recuperació (tractament + reutilització) d'aigües residuals generades per la indústria de petroli i gas. L'objectiu del primer projecte va ser la reutilització d'aigua residual generada per aquest sector mitjançant el tractament dels anomenats efluents "downstream" amb processos d'oxidació avançats (AOPs). Amb aquest objectu, es van estudiar diversos processos AOPs fotocatalítics i basats en ozó, els quals es van aplicar, en primer lloc, per al tractament d'una aigua sintètica amb una composició complexa representativa d'aigua residual de refineria (SRW). Després dels resultats obtinguts amb SRW, es va investigar el rendiment del tractament en tres aigües residuals reals diferents amb l'objectiu d'assolir els requisits per a la reutilització d'aigua a la planta. El segon projecte es va enfocar en el tractament d'aigua residual procedent del procés de sorres petrolíferes (OSPW), que actualment es troba emmagatzemada en estanys causa de la política de descàrrega zero a la regió d'Alberta, Canadà. En primer lloc, es van comparar els tractaments d'ozonització i UV amb diferents oxidants i pH. El tractament amb UV/Fenton va resultar ser un mètode eficaç per eliminar els components orgànics presents en l'efluent que causen toxicitat aguda. També es van investigar les activitats catalítiques de catalitzadors de carbó activat granulat prèviament dopats amb N o N/S i Fe(III). Es va realitzar una selecció dels catalitzadors més prometedors mitjançant disseny factorial fraccional en l'ozonització catalítica d'una aigua sintètica. Posteriorment, els materials seleccionats es van investigar més a fons per al tractament de OSPW real. Es van estudiar, a més, processos AOP basats en ozó en combinació amb H2O2 i UVC amb l'objectiu d'assolir la mineralització dels contaminants orgànics, inclosos els àcids naftènics presents en l'efluent. Un augment en la mineralització repercuteix positivament en la reducció de la toxicitat. Per primera vegada es presenta l'estudi de la combinació de UVC amb tractaments basats en O3 per tractar la OSPW.

Esta tesis se enmarca dentro de dos proyectos relacionados con la recuperación (tratamiento + reutilización) de aguas residuales generadas por la industria del petróleo y gas. El objetivo del primer proyecto fue la reutilización de agua residual generada por la industria del petróleo y gas mediante el tratamiento de los denominados efluentes "downstream" con procesos de oxidación avanzados (AOPs). Para ello, se estudiaron varios procesos AOPs fotocatalíticos y basados en ozono, los cuales se aplicaron, en primer lugar, para el tratamiento de un agua sintética con una composición compleja representativa de agua residual de refinería (SRW). Tras los resultados obtenidos con SRW, se investigó el rendimiento del tratamiento en tres aguas residuales reales diferentes con el objetivo de alcanzar los requisitos para la reutilización del agua en la planta. El segundo proyecto se enfocó en el tratamiento de agua residual procedente del proceso de arenas petrolíferas (OSPW), que actualmente se encuentra almacenada en estanques debido a la política de descarga cero en la región de Alberta, en Canadá. En primer lugar, se compararon los tratamientos de ozonización y UV con diferentes oxidantes y pH. El tratamiento con UV/Fenton resultó ser un método eficaz para eliminar los componentes orgánicos presentes en el efluente que causan toxicidad aguda. También se investigaron las actividades catalíticas de catalizadores de carbón activado granulado previamente dopados con N o N/S y Fe (III). Se realizó una selección de los catalizadores más prometedores mediante diseño factorial fraccional en la ozonización catalítica de un agua sintética. Posteriormente, los materiales seleccionados se investigaron más a fondo para el tratamiento de OSPW real. Se estudiaron, además, procesos AOP basados en ozono en combinación con H2O2 y UVC con el objetivo de alcanzar la mineralización de los contaminantes orgánicos, incluidos los ácidos nafténicos presentes en el efluente. Un aumento en la mineralización repercute positivamente en la reducción de la toxicidad. Por primera vez se presenta el estudio de la combinación de UVC con tratamientos basados en O3 para tratar la OSPW.

This thesis has been developed within two projects dealing with the reclamation of wastewater generated by the oil & gas industry. The first project aimed at water reuse in the oil & gas sector treating the downstream effluents by advanced oxidation processes (AOPs). For this, several photo-based and ozone-based AOPs were assessed in detail starting from a synthetic refinery wastewater (SRW) with a complex composition. After the initial screening on SRW, the treatment performance of the different AOPs was investigated with three different real wastewaters, aiming at reaching the requirements for water reuse in the plant. The second project considered the treatment of oil sands process water (OSPW) currently stored in tailing ponds because of the zero-discharge policy in Alberta region, in Canada. Firstly, catalytic ozone-based and UV-based treatments with different oxidants and operating pH were compared. UV/Fenton treatment was considered as an effective method for removing the organic components present in the effluent that cause acute toxicity. The catalytic activities of granular activated carbon-based materials previously doped with heteroatom (N or N/S) and Fe (III) were also investigated. For catalytic ozonation of a synthetic water, a catalyst selection was performed based on the fractional factorial design. Afterwards, the selected materials were investigated further for the treatment of real OSPW. The use of ozone-based AOPs including H2O2 and UVC to achieve mineralization was examined in detail, while also aiming at reduction in toxicity arising from the organic components including naphthenic acids present in the effluent. UVC combination to O3-based treatments was studied for the first time to treat OSPW.