Tratamiento y reutilización de aguas residuales generadas en fracking y extracción de petróleo

• 1. Qué es el fracking
• 2. Riesgos ambientales derivados de la extracción por tecnología fracking
• 3. Composición aguas residuales generadas durante el fracking
• 4. Tratamiento de aguas residuales resultantes del fracking
• 5. Tratamiento por flotación DAF de aguas residuales del fracking
• 6. Reutilización de aguas residuales generadas durante el fracking
• 7. Resumen

1. ¿Qué es el fracking?

El fracking, también denominado “fractura hidráulica”, es un método utilizado para la extracción de hidrocarburos presentes en terrenos sedimentarios.

Las rocas retienen el metano en sus poros debido a su baja permeabilidad, lo que permite la formación de bolsas de gas e hidrocarburos. Para extraerlos, se perforan cientos de pozos que pueden ocupar áreas muy extensas.

Durante el fracking, se inyecta una mezcla de agua, productos químicos y arena en las formaciones de roca de esquisto, con el objetivo de liberar el petróleo y el gas atrapados en la roca. Al regresar a la superficie, esta mezcla arrastra no solo los hidrocarburos, sino también el agua presente originalmente en la formación y una parte significativa de los productos químicos utilizados en el proceso.

Las aguas residuales generadas en este proceso se almacenan normalmente en depósitos o fosos antes de ser tratadas y eliminadas, o reutilizadas para futuras operaciones de fracking.

2. Riesgos medioambientales derivados de la extracción por tecnología fracking

El fracking implica varios riesgos medioambientales:

• Riesgos de perforación. Durante la perforación que se realiza para construir los pozos existen riesgos de explosiones, escapes de gas, de ácido sulfhídrico e incluso puede acontecer que se rompan las tuberías de conducción. Si esto ocurriera, los contaminantes que se aportarían al terreno serían muy tóxicos. Entre estos materiales podemos encontrar metales pesados e incluso elementos radiactivos.
• Contaminación de acuíferos. En una perforación se utilizan alrededor de 200.000 m3 de agua y, a continuación, se inyectan productos químicos que pueden llegar a representar un 2% del agua insertada (4.000 Tm). Estas importantes cargas contaminantes deben ser depuradas antes de devolver el agua a la naturaleza.
• Contaminación del aire.  Algunos de los químicos que se añaden al agua son volátiles y pasan a la atmósfera. Durante la extracción de los hidrocarburos existe el riesgo de emitir metano, y gases nitrosos a la atmósfera.
• Riesgo de movimientos sísmicos. Hay estudios que han demostrado que el fracking aumenta en el riesgo de producirse terremotos, especialmente si se realiza cerca de fallas geológicas.                                          
• Impacto ambiental y paisajístico. El espacio necesario para realizar la perforación es muy grande (aprox. 3 km²) y los pozos operan por un periodo de 5 a 7 años de media.

3. Composición de las aguas residuales generadas durante el fracking

En un informe de 2016 de la EPA (Agencia de Protección Ambiental), se identificaron más de 1.600 sustancias químicas presentes en las aguas residuales procedentes de las perforaciones de fracking, de las que cerca de 200 se consideran cancerígenas o tóxicas para la salud humana. El mismo informe advirtió que el fluido de fracturación hidráulica podría producir fugas en estos pozos subterráneos que almacenan millones de litros de estas aguas residuales.

La composición de las aguas residuales generadas en la extracción de gas y petróleo mediante fracking puede variar según la geología de la zona, los productos químicos utilizados en el proceso y la calidad del agua empleada. Los contaminantes más comunes son:

• Altos niveles de sales y minerales como calcio, magnesio y sodio. Por tanto, el agua producida puede tener altos niveles de sólidos disueltos totales (SDT).
• Hidrocarburos como benceno, tolueno, etilbenceno y xileno (BTEX), que son tóxicos y cancerígenos y pueden filtrarse en las aguas subterráneas o superficiales, contaminando las fuentes de agua potable.
• Niveles elevados de metales pesados como arsénico, cadmio, cromo, plomo y mercurio. Estos metales son tóxicos y pueden tener graves consecuencias para la salud humana, como daños neurológicos, renales y cáncer.
• Pueden contener materiales radiactivos de origen natural como radio, uranio y torio, que se liberan de las formaciones de esquisto durante el proceso de fracking.

Como hemos mencionado anteriormente, el fracking emplea diversos productos químicos como tensoactivos, biocidas, inhibidores de la corrosión y reductores de la fricción, que también pueden permanecer presentes en las aguas residuales. Algunas de estas sustancias químicas son tóxicas y  afectan a la salud si se ingieren o inhalan.

Cada etapa del proceso de fracking contribuye con distintos contaminantes a la formación del efluente residual final.

Tipos de reactivos	Aplicación	Ejemplos reactivos
Agentes tensioactivos /agentes humectantes	La reducción de la tensión superficial de los líquidos, la viscosidad aumenta	Isopropanol
sal	Genera un fluido portador de salmuera	Cloruro de potasio
Gelato (agente gelificante)	Mejora del transporte de agentes de sostén	Goma guar, hidroximetil Celulosa
Inhibidor de incrustaciones	Prevención de deposición de precipitado poco solubles, anticongelante	Etilenglicol
Reguladores de pH	Mantiene la eficacia de otros componentes	Carbonato de Sodio o Potasio
Chain Braker (Breaker)	La reducción de la viscosidad de los fluidos que contienen gel, para depositar el agente de sostén	Persulfato de Amonio
Reticulante	Mantiene la viscosidad del fluido con los aumentos de temperatura	Sales de boro
Control del Ion Hierro	Prevención de la precipitación del óxido de hierro	Ácido Cítrico
Inhibidor de corrosión	Evita la corrosión de las tuberías	N, n Dimetilformamida
Biocida/Bactericida	Prevención del crecimiento bacteriano, la prevención de la bicapa, evitar la formación de sulfuro de hidrógeno por las bacterias reductoras de sulfato	Glutaraldehido
Ácidos	Limpieza de partes de perforación y cemento; resolución de minerales solubles en ácido	Ácido Clorhídrico o Ácido Muriático
Reductor de fricción (aditivos)	La reducción de la fricción dentro de los fluidos permite que el fluido de fracturación se bombee a velocidades más rápidas y presiones más bajas	Poliacrilamida, Aceite Mineral
Anti-Oxidante	Elimina el oxígeno para proteger de la corrosión	Bisulfato de Amonio
Agentes de sostén	Sostiene las fracturas abiertas para permitir el gas a salir	Sílice, Arena de Cuarzo

Además, se emplean estabilizadores de alta temperatura para prevenir la descomposición prematura del gel; espumas que facilitan el transporte de los agentes de sostén; y disolventes que mejoran la solubilidad de los aditivos y reducen la corrosión del sistema. También se utilizan estabilizadores de arcilla para minimizar su hinchamiento y desplazamiento.

4. Tratamiento de las aguas residuales resultantes del fracking

Las aguas residuales procedentes de fracking son difíciles de gestionar. Su tratamiento involucra múltiples etapas en las que se emplean diferentes tecnologías para eliminar los contaminantes y adecuar el agua a los límites de vertido.

Un proceso que ha demostrado gran efectividad para el tratamiento de las aguas de fracking es la combinación de electrocoagulación, oxidación química y oxidación UV. Este proceso permite romper los compuestos en formas que puedan eliminarse posteriormente en procesos físicos, químicos y biológicos.

Estas son las diferentes etapas de los procesos típicos de depuración de estos vertidos:

1. Neutralización química y coagulación.
2. Separador de aceite libre / Precipitador
3. Electrocoagulación
4. Coagulación/floculación secundaria
5. Flotación por aire disuelto
6. Tratamiento biológico y clarificación/ flotación
7. Oxidación UV avanzada
8. Múltiples procesos de filtración
9. Ultrafiltración

La combinación de tecnologías y el diseño de la planta de tratamiento varían en función de aspectos como la composición de las aguas residuales y de los requisitos normativos de la zona.

A continuación, se detalla un proceso estándar para el tratamiento de aguas residuales generadas en fracking:

• Cribado de las aguas residuales para eliminar los residuos y sólidos de gran tamaño que podrían dañar los equipos auxiliares. Durante esta etapa también se puede llevar a cabo un tratamiento químico que permita ajustar el pH o eliminar contaminantes específicos.
• La flotación por aire disuelto también se puede emplear en esta fase de pretratamiento, o como tratamiento primario. La función de los sistemas DAF es la eliminación de sólidos en suspensión, aceites y grasas.
• Existen otros procesos para la separación física de sólidos y líquidos, entre los que destacan la decantación, la centrifugación o la filtración.
• La selección del tratamiento avanzado más adecuado depende de los objetivos establecidos por el cliente y por las normativas vigentes en el territorio donde se lleva a cabo la extracción de petróleo y/o gas. Si se desea reutilizar el agua o se quieren recuperar materias primas y subproductos presentes en el agua residual se debe recurrir a tecnologías como la evaporación al vacío, la cristalización, la ósmosis inversa, la filtración por membrana, la absorción por carbón activo o el intercambio iónico.
• Procesos adicionales como la desinfección se utilizan para eliminar los microorganismos que puedan quedar en el agua antes de verterla o reutilizarla. Este proceso conlleva el uso de productos químicos u otros métodos, como los rayos UV o el ozono.

5. Tratamiento por flotación por aire disuelto (DAF) de las aguas residuales del fracking

Los sistemas DAF se utilizan para separar sólidos en suspensión, aceites, grasas y lubricantes, así como algunos metales e hidrocarburos suspendidos.

La flotación por aire disuelto (DAF) es un proceso que consiste en la introducción de microburbujas de aire en las aguas residuales, las cuales se adhieren a los sólidos en suspensión y los hacen flotar hacia la superficie para su eliminación.

La tecnología DAF se combina con un proceso fisicoquímico que consiste en añadir un coagulante y floculante a las aguas residuales para formar partículas más grandes que puedan separarse con más facilidad del agua.

Sin embargo, la flotación por aire disuelto (DAF) no es suficiente para eliminar todos los contaminantes que se encuentran presentes en las aguas residuales procedentes de fracking, por lo que son necesarias otras tecnologías para alcanzar los valores límite exigidos por ley.

La selección de los procesos de postratamiento dependerá de los contaminantes específicos presentes en las aguas residuales y de los requisitos normativos para el vertido o la reutilización del agua tratada.

Las opciones más comunes son el tratamiento biológico seguido de las tecnologías de filtración, como la ósmosis inversa, u otras tecnologías avanzadas, que incluyen procesos de concentración y evaporación.

6. Reutilización de las aguas residuales generadas durante el fracking

La reutilización de las aguas residuales generadas por el fracking aporta importantes beneficios, como:

• Reducción del consumo de agua.
• Disminución de los costes derivados del envío de aguas residuales a un gestor de residuos.
• Menor impacto ambiental de las operaciones de fracking.

Es importante garantizar que el agua tratada cumple los requisitos normativos para su reutilización y que no presenta ningún riesgo para la salud humana o el medio ambiente.

Diagrama de bloques tratamiento de efluentes de fracking:

Las aguas residuales generadas por el fracking se pueden reutilizar en distintos ámbitos:

• Reutilizar el agua tratada como fluido base en una operación de fracking posterior. El agua reciclada se trata normalmente mediante tratamientos como la sedimentación, la filtración y la desinfección para eliminar los contaminantes restantes.
• Regado de cultivos y vegetación aplicando el agua directamente al suelo o utilizándola para el riego por aspersión. Sin embargo, es importante garantizar que se cumplen las normativas de calidad del agua de riego y no contienen contaminantes que puedan dañar los cultivos o el suelo.
• Las aguas tratadas también se pueden utilizar con fines industriales, como agua de refrigeración para centrales eléctricas o como fuente de agua de proceso para operaciones de fabricación.
• En algunos casos, las aguas residuales generadas por el fracking se pueden reutilizar para recargar acuíferos subterráneos. Para ello, se inyecta el agua tratada en el subsuelo con el fin de reponer el agua de corrientes agotadas. Sin embargo, este uso requiere un control minucioso para garantizar que el agua tratada no contenga contaminantes que puedan dañar el acuífero, o las fuentes de agua subterránea cercanas.

7. Conclusión

La continua dependencia de los combustibles fósiles para satisfacer a la demanda mundial de energía conlleva la explotación de yacimientos naturales, que solo permiten la extracción de estos hidrocarburos mediante procesos como el fracking.

El fracking es un proceso con un importante impacto medioambiental, tanto a nivel de consumo de agua como de uso de reactivos complejos y agresivos que se inyectan en las rocas.

SIGMADAF aporta tecnologías para el tratamiento y recuperación de las aguas residuales generadas durante el fracking, con el objetivo de mitigar los daños que producen estos sistemas de extracción en el medio ambiente.

Referencias bibliográficas y consultas

• 2021RodriguezJemnifer.pdf (usta.edu.co) Adaptado de Arnedo, A y Yunes, K, (2015, p.8).
• ‘Fracking’ in the dark: Biological fallout of shale-gas production still largely unknown (Frontiers in Ecology and the Environment) | New research findings from Princeton University