Aufbereitung und Wiederverwendung von Abwasser aus Fracking und Erdölförderung

• 1. Was ist Fracking?
• 2. Umweltrisiken im Zusammenhang mit der Förderung mittels Fracking-Technologie
• 3. Zusammensetzung des beim Fracking anfallenden Abwassers
• 4. Aufbereitung von Abwasser aus dem Fracking
• 5. DAF-Flotationsverfahren zur Aufbereitung von Fracking-Abwasser
• 6. Wiederverwendung von Abwasser, das beim Fracking anfällt
• 7. Zusammenfassung

1. Was ist Fracking?

Fracking, auch als „hydraulische Frakturierung“ bezeichnet, ist ein Verfahren zur Förderung von Kohlenwasserstoffen aus Sedimentgestein.

Gesteine speichern Methan aufgrund ihrer geringen Durchlässigkeit in ihren Poren, wodurch sich Gas- und Kohlenwasserstoffvorkommen bilden können. Um diese zu fördern, werden Hunderte von Bohrlöchern gebohrt, die sehr große Flächen einnehmen können.

BeimFracking wird ein Gemisch aus Wasser, Chemikalien und Sand in die Schiefergesteinsformationen gepumpt, um das im Gestein eingeschlossene Öl und Gas freizusetzen. Beim Zurückfließen an die Oberfläche befördert dieses Gemisch nicht nur die Kohlenwasserstoffe mit sich, sondern auch das ursprünglich in der Formation vorhandene Wasser und einen erheblichen Teil der bei diesem Verfahren verwendeten Chemikalien.

Das bei diesem Verfahren anfallende Abwasser wird in der Regel in Behältern oder Gruben gelagert, bevor es behandelt und entsorgt oder für künftigeFracking-Maßnahmen wiederverwendet wird.

2. Umweltrisiken im Zusammenhang mit der Förderung mittels Fracking-Technologie

Fracking birgt verschiedene Umweltrisiken:

• Bohrrisiken. Bei den Bohrarbeiten zur Errichtung der Brunnen bestehen Explosionsgefahren, die Gefahr von Gas- und Schwefelwasserstoffaustritten, und es kann sogar zu einem Bruch der Förderleitungen kommen. In einem solchen Fall würden hochgiftige Schadstoffe in den Boden gelangen. Zu diesen Stoffen zählen Schwermetalle und sogar radioaktiveElemente.
• Verschmutzung von Grundwasserleitern. Bei einer Bohrung werden etwa 200.000 m³ Wasser verbraucht; anschließend werden Chemikalien eingeleitet, die bis zu 2 % des eingeleiteten Wassers ausmachen können (4.000 Tonnen). Diese erheblichen Schadstoffmengen müssen gereinigt werden, bevor das Wasser wieder in die Natur zurückgeführt wird.
• Luftverschmutzung. Einige der dem Wasser zugesetzten Chemikalien sind flüchtig und gelangen in die Atmosphäre. Bei der Förderung von Kohlenwasserstoffen besteht die Gefahr, dass Methan und Stickoxide in die Atmosphäre gelangen.
• Risiko von Erdbeben. Studien haben gezeigt, dass Fracking das Erdbebenrisiko erhöht, insbesondere wenn es in der Nähe von geologischen Verwerfungen durchgeführt wird.                                          
• Auswirkungen auf Umwelt und Landschaft. Der für die Bohrungen erforderliche Platzbedarf ist sehr groß (ca. 3^km²) und die Bohrlöcher werden im Durchschnitt 5 bis 7 Jahre lang betrieben.

3. Zusammensetzung des beim Fracking anfallenden Abwassers

In einem Bericht der EPA (Umweltschutzbehörde) aus dem Jahr 2016 wurden mehr als 1.600 chemische Substanzen im Abwasser aus Fracking-Bohrungen identifiziert , von denen etwa 200 als krebserregend oder gesundheitsschädlich gelten. Derselbe Bericht warnte davor, dass die Fracking-Flüssigkeit zu Leckagen in diesen unterirdischen Bohrlöchern führen könnte, in denen Millionen Liter dieses Abwassers gelagert werden.

Die Zusammensetzung des Abwassers, das bei der Förderung von Erdgas und Erdöl mittels Fracking anfällt, kann je nach den geologischen Gegebenheiten des Gebiets, den im Verfahren verwendeten Chemikalien und der Qualität des eingesetzten Wassers variieren. Die häufigsten Schadstoffe sind:

• Hohe Gehalte an Salzen und Mineralien wie Kalzium, Magnesium und Natrium. Daher kann das aufbereitete Wasser einen hohen Gehalt an gelösten Stoffen (TDS) aufweisen.
• Kohlenwasserstoffe wie Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Xylol (BTEX), die giftig und krebserregend sind und ins Grund- oder Oberflächenwasser gelangen und so die Trinkwasserquellen verunreinigen können.
• Erhöhte Konzentrationen von Schwermetallen wie Arsen, Cadmium, Chrom, Blei und Quecksilber. Diese Metalle sind giftig und können schwerwiegende Folgen für die menschliche Gesundheit haben, darunter Schädigungen des Nervensystems und der Nieren sowie Krebs.
• Sie können natürlich vorkommende radioaktive Stoffe wie Radium, Uran und Thorium enthalten, die während desFracking-Prozesses aus den Schieferformationen freigesetzt werden.

Wie bereits erwähnt, werden beimFrackingverschiedene Chemikalien wie Tenside, Biozide, Korrosionshemmer und Reibungsminderer eingesetzt, die auch im Abwasser verbleiben können. Einige dieser Chemikalien sind giftig und schädigen die Gesundheit, wenn sie verschluckt oder eingeatmet werden.

Jede Phase des Fracking-Prozesses trägt mit unterschiedlichen Schadstoffen zur Entstehung des endgültigen Abwassers bei.

Arten von Reagenzien	Anmeldung	Beispielaufgaben
Tenside / Feuchthaltemittel	Die Oberflächenspannung der Flüssigkeiten nimmt ab, die Viskosität steigt	Isopropanol
Salz	Erzeugt eine Sole-Trägerflüssigkeit	Kaliumchlorid
Gelato (Geliermittel)	Verbesserung des Transports von Stützmitteln	Guarkernmehl, Hydroxymethylcellulose
Kalkhemmer	Verhinderung der Ablagerung schwer löslicher Niederschläge, Frostschutzmittel	Ethylenglykol
pH-Regler	Erhält die Wirksamkeit anderer Inhaltsstoffe	Natrium- oder Kaliumcarbonat
Chain Braker (Breaker)	Die Verringerung der Viskosität von gelhaltigen Flüssigkeiten, um das Stützmittel abzuscheiden	Ammoniumpersulfat
Vernetzer	Die Viskosität der Flüssigkeit bleibt auch bei steigenden Temperaturen erhalten	Borate
Kontrolle des Eiseniongehalts	Verhinderung der Ausfällung von Eisenoxid	Zitronensäure
Korrosionsschutzmittel	Verhindert Korrosion an Rohrleitungen	N,N-Dimethylformamid
Biozid/Bakterizid	Verhinderung des Bakterienwachstums, Verhinderung der Bildung einer Biofilmschicht, Verhinderung der Bildung von Schwefelwasserstoff durch sulfatreduzierende Bakterien	Glutaraldehyd
Säuren	Reinigung von Bohr- und Zementteilen; Entfernung säurelöslicher Mineralien	Salzsäure
Reibungsminderer (Additive)	Durch die Verringerung der Reibung innerhalb der Flüssigkeiten kann die Fracking-Flüssigkeit mit höheren Geschwindigkeiten und bei niedrigerem Druck gepumpt werden	Polyacrylamid, Mineralöl
Antioxidans	Entfernt Sauerstoff, um vor Korrosion zu schützen	Ammoniumbisulfat
Stützmittel	Hält offene Brüche offen, damit das Gas entweichen kann	Kieselsäure, Quarzsand

Zudem werden Hochtemperaturstabilisatoren eingesetzt, um eine vorzeitige Zersetzung des Gels zu verhindern; Schaumstoffe, die den Transport der Stützmittel erleichtern; sowie Lösungsmittel, die die Löslichkeit der Additive verbessern und die Korrosion des Systems verringern. Außerdem werden Tonstabilisatoren verwendet, um das Quellen und die Verdrängung des Tons zu minimieren.

4. Behandlung von Abwasser aus dem Fracking

Das beim Fracking anfallende Abwasser ist schwer zu entsorgen. Seine Aufbereitung umfasst mehrere Stufen, in denen verschiedene Technologien zum Einsatz kommen, um Schadstoffe zu entfernen und das Wasser so aufzubereiten, dass es die Einleitungsgrenzwerte erfüllt.

Ein Verfahren, das sich bei der Aufbereitung von Fracking-Wasser als äußerst wirksam erwiesen hat, ist die Kombination aus Elektrokoagulation, chemischer Oxidation und UV-Oxidation. Durch dieses Verfahren werden die Verbindungen so aufgespalten, dass sie anschließend durch physikalische, chemische und biologische Prozesse entfernt werden können.

Dies sind die verschiedenen Phasen der typischen Reinigungsverfahren für diese Abwässer:

1. Chemische Neutralisierung und Koagulation.
2. Freier Ölabscheider / Abscheider
3. Elektrokoagulation
4. Sekundäre Koagulation/Flockung
5. Flotation mit gelöstem Luft
6. Biologische Behandlung und Klärung/Flotation
7. Fortschrittliche UV-Oxidation
8. Mehrere Filterprozesse
9. Ultrafiltration

Die Kombination der Technologien und die Auslegung der Kläranlage hängen von Faktoren wie der Zusammensetzung des Abwassers und den gesetzlichen Vorschriften in der jeweiligen Region ab.

Im Folgenden wird ein Standardverfahren zur Aufbereitung von Abwasser aus dem Fracking beschrieben:

• Das Sieben des Abwassers dient dazu, Abfälle und grobe Feststoffe zu entfernen, die die Hilfsanlagen beschädigen könnten. In dieser Phase kann auch eine chemische Behandlung durchgeführt werden, um den pH-Wert anzupassen oder bestimmte Schadstoffe zu beseitigen.
• Die Flotation mit gelöstem Luft kann ebenfalls in dieser Vorbehandlungsphase oder als Primärbehandlung eingesetzt werden. Die Aufgabe von DAF-Anlagen besteht in der Entfernung von Schwebstoffen, Ölen und Fetten.
• Es gibt weitere Verfahren zur physikalischen Trennung von Feststoffen und Flüssigkeiten, darunter insbesondere das Dekantieren, das Zentrifugieren oder das Filtrieren.
• Die Wahl der am besten geeigneten weiterführenden Aufbereitungsmethode hängt von den vom Kunden festgelegten Zielen sowie von den geltenden Vorschriften in dem Gebiet ab, in dem die Öl- und/oder Gasförderung stattfindet. Wenn das Wasser wiederverwendet oder Rohstoffe und Nebenprodukte aus dem Abwasser zurückgewonnen werden sollen, müssen Technologien wie Vakuumverdampfung, Kristallisation, Umkehrosmose, Membranfiltration, Aktivkohleadsorption oder Ionenaustausch zum Einsatz kommen.
• Zusätzliche Verfahren wie die Desinfektion dienen dazu, Mikroorganismen zu beseitigen, die möglicherweise noch im Wasser vorhanden sind, bevor dieses abgeleitet oder wiederverwendet wird. Dabei kommen Chemikalien oder andere Methoden wie UV-Strahlung oder Ozon zum Einsatz.

5. Behandlung von Fracking-Abwässern mittels Dissolved-Air-Flotation (DAF)

DAF-Systeme werden zur Abscheidung von Schwebstoffen, Ölen, Fetten und Schmierstoffen sowie bestimmten Metallen und Kohlenwasserstoffen im Schwebezustand eingesetzt.

Die Flotation mit gelöstem Sauerstoff (DAF) ist ein Verfahren, bei dem Mikro-Luftblasen in das Abwasser eingeleitet werden, die sich an die Schwebstoffe anlagern und diese zur Entsorgung an die Oberfläche treiben.

Die DAF-Technologie wird mit einem physikalisch-chemischen Verfahren, bei dem dem Abwasser ein Koagulierungs- und Flockungsmittel zugesetzt wird , um größere Partikel zu bilden, die sich leichter vom Wasser abscheiden lassen.

Die Flotation mit gelöster Luft (DAF) reicht jedoch nicht aus, um alle Schadstoffe aus demFracking-Abwasser zu entfernen, weshalb weitere Technologien erforderlich sind, um die gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte einzuhalten.

Die Wahl der Nachbehandlungsverfahren hängt von den spezifischen Schadstoffen im Abwasser sowie von den gesetzlichen Anforderungen für die Einleitung oder die Wiederverwendung des behandelten Wassers ab.

Die gängigsten Verfahren sind die biologische Behandlung, gefolgt von Filtertechnologien wie der Umkehrosmose oder anderen fortschrittlichen Technologien, zu denen Konzentrations- und Verdampfungsverfahren gehören.

6. Wiederverwendung des beim Fracking anfallenden Abwassers

Die Wiederverwendung von Abwasser aus demFrackingbietet erhebliche Vorteile, darunter:

• Senkung des Wasserverbrauchs.
• Senkung der Kosten für die Abgabe von Abwasser an einen Abfallentsorger.
• Geringere Umweltbelastung durchFracking-Maßnahmen.

Es ist wichtig sicherzustellen, dass das aufbereitete Wasser die gesetzlichen Anforderungen für die Wiederverwendung erfüllt und keine Gefahr für die menschliche Gesundheit oder die Umwelt darstellt.

Blockschaltbild der Abwasseraufbereitung nach dem Fracking:

Das beimFrackinganfallende Abwasser kann in verschiedenen Bereichen wiederverwendet werden:

• Das aufbereitete Wasser als Grundflüssigkeit bei einem späterenFracking-Vorgangwiederverwenden. Das recycelte Wasser wird in der Regel durch Verfahren wie Sedimentation, Filtration und Desinfektion behandelt, um verbleibende Verunreinigungen zu entfernen.
• Bewässerung von Kulturpflanzen und Vegetation durch direkte Ausbringung des Wassers auf den Boden oder durch Sprinklerbewässerung. Es ist jedoch wichtig sicherzustellen, dass die Vorschriften zur Bewässerungswasserqualität eingehalten werden und das Wasser keine Schadstoffe enthält, die den Pflanzen oder dem Boden schaden könnten.
• Das aufbereitete Wasser kann auch für industrielle Zwecke genutzt werden, beispielsweise als Kühlwasser für Kraftwerke oder als Prozesswasser für Produktionsprozesse.
• In einigen Fällen kann das beimFrackinganfallende Abwasser zur Wiederauffüllung von Grundwasserleitern wiederverwendet werden. Dazu wird das aufbereitete Wasser in den Untergrund gepumpt, um erschöpfte Wasserläufe wieder aufzufüllen. Diese Nutzung erfordert jedoch eine sorgfältige Kontrolle, um sicherzustellen, dass das aufbereitete Wasser keine Schadstoffe enthält, die das Grundwasser oder nahegelegene Grundwasserquellen schädigen könnten.

7. Schlussfolgerung

Die anhaltende Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zur Deckung des weltweiten Energiebedarfs führt zur Ausbeutung von Lagerstätten, aus denen diese Kohlenwasserstoffe nur durch Verfahren wie Fracking gewonnen werden können.

Fracking ist ein Verfahren mit erheblichen Auswirkungen auf die Umwelt, sowohl hinsichtlich des Wasserverbrauchs als auch hinsichtlich des Einsatzes komplexer und aggressiver Chemikalien, die in das Gestein gepumpt werden.

SIGMADAF bietet Technologien zur Aufbereitung und Rückgewinnung von Abwasser an, das beim Fracking anfällt, mit dem Ziel, die durch diese Förderverfahren verursachten Umweltschäden zu mindern.

Literaturhinweise und Quellenangaben

• 2021RodriguezJemnifer.pdf (usta.edu.co) Adaptiert aus Arnedo, A. und Yunes, K. (2015, S. 8).
• „Fracking“ im Dunkeln: Die biologischen Folgen der Schiefergasförderung sind noch weitgehend unbekannt (Frontiers in Ecology and the Environment) | Neue Forschungsergebnisse der Princeton University