Sistemas DAF para el tratamiento de aguas residuales generadas por el fracking

30 de mayo de 2023 (Lectura 11 mins)
Jordi Fabregas

1. Qué es el fracking

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

Las rocas mantienen el metano dentro de esos poros ya que tienen poca permeabilidad, por lo que son capaces de crear bolsas de gas e hidrocarburos. Para poder conseguirlos se construyen cientos de pozos que ocupan áreas enormes.

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. Cuando esta mezcla, que ha sido insertada a alta presión, vuelve a la superficie, trae consigo no solo el petróleo y el gas, sino también el agua que estaba originalmente presente en la formación, junto con buena parte 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.

Función de los sistemas DAF en el tratamiento de aguas residuales de fracking

Los sistemas DAF son un componente esencial en una planta para el tratamiento de las aguas residuales generadas por el fracking. Acostumbran a operar como pre-tratamiento o tratamiento primario para la eliminación de sólidos suspendidos, aceites, hidrocarburos, grasas y otros contaminantes. Además de eliminar un importante número de contaminantes, garantizan el correcto rendimiento y funcionamiento de tratamientos posteriores.

La eficacia de los sistemas DAF en el tratamiento de las aguas residuales generadas por el fracking depende de diversos factores, como la composición de las aguas residuales, el diseño y el funcionamiento del sistema DAF y el tipo de aditivos químicos utilizados en el proceso. Es de vital importancia diseñar y operar correctamente los sistemas DAF para garantizar un tratamiento seguro y eficaz de las aguas residuales generadas por el fracking.

2. Riesgos medioambientales derivados de la extracción por tecnología fracking

El fracking genera diversos peligros para el medio ambiente:

  • 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. Otro riesgo asociado al fracking es que en una perforación se utilizan del orden de 200.000 m3 de agua y, a continuación, se inyectan productos químicos peligrosos que pueden llegar a representar un 2% del agua insertada (4.000 Tm), de los que solo se recupera una parte. Estas importantes cargas contaminantes deben ser depuradas antes de devolver el agua a la naturaleza, para lo que se utilizan procesos complejos y costosos.
  • Contaminación del aire.  Entre estos químicos que se añaden al agua, hay muchos que 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 un aumento de la sismicidad cuando se utiliza esta tecnología, con los efectos negativos que puede ello acarrear.                                          
  • 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 la perforación del 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 procedentes  de estos pozos subterráneos que almacenan millones de litros de estas aguas residuales.

La composición de las aguas residuales generadas por 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), lo que puede dificultar su tratamiento.
  • Las aguas residuales generadas por el fracking suelen contener hidrocarburos como benceno, tolueno, etilbenceno y xileno (BTEX), que son tóxicos y cancerígenos, que pueden filtrarse en las aguas subterráneas o superficiales y contaminar las fuentes de agua potable.
  • También acostumbran a encontrarse niveles elevados de metales pesados como arsénico, cadmio, cromo, plomo y mercurio. Estos metales son tóxicos para los seres vivos y pueden tener graves consecuencias para la salud humana, como daños neurológicos, renales y cáncer.
  • Las aguas residuales generadas por el fracking también 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 reactivosAplicaciónEjemplos reactivos
Agentes tensioactivos /agentes humectantes La reducción de la tensión superficial de los líquidos, la viscosidad aumentaIsopropanol
salGenera un fluido portador de salmueraCloruro de potasio
Gelato (agente gelificante)Mejora del transporte de agentes de sosténGoma guar, hidroximetil Celulosa
Inhibidor de incrustacionesPrevención de deposición de precipitado poco solubles, anticongelanteEtilenglicol
Reguladores de pHMantiene la eficacia de otros componentesCarbonato de Sodio o Potasio
Chain Braker (Breaker)La reducción de la viscosidad de los fluidos que contienen gel, para depositar el agente de sosténPersulfato de Amonio
ReticulanteMantiene la viscosidad del fluido con los aumentos de temperaturaSales de boro
Control del Ion HierroPrevención de la precipitación del óxido de hierroÁcido Cítrico
Inhibidor de corrosiónEvita la corrosión de las tuberíasN, n Dimetilformamida
Biocida/BactericidaPrevención del crecimiento bacteriano, la prevención de la bicapa, evitar la formación de sulfuro de hidrógeno por las bacterias reductoras de sulfatoGlutaraldehido
ÁcidosLimpieza de partes de perforación y cemento; resolución de minerales solubles en ácidoÁcido 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 bajasPoliacrilamida, Aceite Mineral
Anti-OxidanteElimina el oxígeno para proteger de la corrosiónBisulfato de Amonio
Agentes de sosténSostiene las fracturas abiertas para permitir el gas a salirSílice, Arena de Cuarzo

Además, también se utilizan estabilizadores de alta temperatura para la prevención de una descomposición prematura de gel, espumas para apoyo del transporte de agentes de sostén y solvente para mejorar la solubilidad de los aditivos. corrosión del sistema, así como estabilizadores de arcilla para reducir su inflación y el desplazamiento.

4. Tratamiento de las aguas residuales resultantes del fracking

Las aguas residuales procedentes de fracking, generadas durante la producción de petróleo crudo están altamente contaminadas con metales pesados, toxinas e hidrocarburos. Se trata de un tipo de agua residual que es difícil 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 su efectividad para el tratamiento de las aguas de fracking es la combinación de la electrocoagulación, la oxidación química y la oxidación UV, que permiten romper los compuestos en formas que puedan eliminarse posteriormente en procesos físicos, biológicos y químicos.

La electrocoagulación ofrece una alta efectividad en el tratamiento de estos vertidos, debido a su alta salinidad.

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

Existen diversos sistemas de tratamiento para los efluentes generados por el fracking, que permiten la eliminación efectiva de los diversos contaminantes presentes en estas aguas. 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 en materia de vertidos, de la zona.

Algunos procesos de tratamiento comunes utilizados en las plantas de tratamiento de aguas residuales generadas por el fracking incluyen:

  • El proceso de pretratamiento implica el 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 presentes en las aguas residuales.
  • 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 pueden formar parte de la planta de tratamiento de aguas residuales para la eliminación de 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

La clarificación mediante 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 en la superficie para su eliminación.

En el tratamiento de aguas residuales generadas por el fracking, los sistemas DAF se pueden utilizar para la eliminación de diversos contaminantes, como los sólidos en suspensión, aceites, grasas y lubricantes, así como algunos metales e hidrocarburos suspendidos.

Sin embargo, la flotación por aire disuelto no es suficiente para eliminar todos los contaminantes que se encuentran presentes en las aguas residuales generadas por el fracking, y pueden ser necesarias otras tecnologías para alcanzar los valores límite exigidos.

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.

Las aguas residuales se introducen luego en un depósito donde se libera la presión, provocando así la disolución de aire en el agua. Con ello se forman pequeñas burbujas que se adhieren a las partículas más grandes, haciéndolas flotar hasta la superficie del depósito, desde donde pueden eliminarse mediante espumado.

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 puede aportar importantes beneficios, como la reducción del consumo de agua, la disminución de los costes derivados del envío de aguas residuales a un gestor de residuos, así como un 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:

  • El proceso de reciclaje, en este caso, consiste en tratar el agua producida en una operación de fracking para que se pueda reutilizar como fluido de 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.
  • Las aguas residuales generadas por el fracking se pueden utilizar para regar cultivos y vegetación una vez que han sido adecuadamente tratadas. Para ello, se puede aplicar directamente al suelo o utilizarla para el riego por aspersión. Sin embargo, es importante asegurarse de que se cumplen los requisitos normativos 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, una vez tratadas y depuradas. Para ello, se inyecta el agua tratada en el subsuelo con el fin de reponer agua a las 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 ha provocado 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.

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