Tratamiento de aguas residuales en la Industria Petrolera y del Gas Natural

15 de noviembre de 2021 (Lectura 12 mins)
Jordi Fabregas

1. Las aguas residuales de la Industria de Petróleo y Gas Natural: un desafío tecnológico

1.1 Soluciones de economía circular para la reutilización de agua en Oil&Gas

La industria de petróleo y gas natural, comúnmente conocida como Oil & Gas, genera la energía necesaria para llevar a cabo numerosas actividades humanas e industriales.

El alto volumen de recursos hídricos consumidos por esta industria conlleva la necesidad de diseñar soluciones eficientes, sostenibles y rentables para el tratamiento de las aguas residuales generadas en refinerías de petróleo, para los lodos producidos en pozos de extracción, etc., ya que estos efluentes repercuten de manera directa en la sostenibilidad de los recursos, en el medio ambiente y en el resto de industrias y sectores.

Uno de los principales objetivos de la industria del petróleo y gas es la reducción de la demanda hídrica, lo que implica implantar soluciones de economía circular, que fomenten la reutilización del agua residual y el ahorro de recursos y materias primas, contribuyendo de esta forma a la sostenibilidad económica y medioambiental de la industria Oil & Gas.

El agua residual, adecuadamente tratada, puede reutilizarse en muy diversas acciones, por ejemplo:

  • Riego de zonas verdes adyacentes
  • Red de flujo contra incendios
  • Sistemas de refrigeración
  • Calderas
  • Agua de limpieza de camiones, coches, etc.

Para garantizar la sostenibilidad del agua y de la propia industria Oil & Gas se han de aplicar estos principios de economía circular del agua, mediante los cuales el agua residual se convierte en un recurso.

¿Cuál es la aplicación de los sistemas DAF en el sector de petróleo y gas?

La flotación por aire disuelto es la tecnología más eficiente para llevar a cabo un tratamiento primario de aguas residuales en las distintas actividades del sector de petróleo y gas. El objetivo de este tratamiento primario es separar los aceites y solidos en suspensión del agua residual para que esta pueda pasar a una etapa posterior de tratamiento.

Los sistemas DAF se utilizan ampliamente en numerosas actividades del sector de petróleo y gas, entre las que destacan las siguientes: yacimientos petrolíferos, refinerías de petróleo, plantas químicas y petroquímicas, plantas de procesamiento de gas natural e instalaciones industriales similares.

1.2 Aguas residuales generadas en petróleo y gas, y alternativas para su gestión

Las tres actividades principales de esta industria son:

  • Extracción de petróleo crudo y gas natural.
  • Transformación del petróleo crudo en sus fracciones.
  • Obtención de energía a partir de los derivados del petróleo y del gas natural.

El agua residual de la industria Oil & Gas puede presentar características muy diversas en cada planta (de extracción de crudo, de craqueo, de utilización de fuel y gas, etc.), además de ser fluctuante en sí misma, pero reúne características básicas como las siguientes:

  • Alto contenido en grasas, aceites e hidrocarburos.
  • Materia orgánica disuelta.
  • Restos de petróleo.
  • Alto contenido en sólidos en suspensión.
  • Viscosidad considerable.
  • Sales disueltas.
  • Metales pesados.

Los componentes que deben eliminarse con mayor eficacia son los aceites, grasas, hidrocarburos, sólidos en suspensión y materia orgánica disuelta.

Para el tratamiento de esta agua residual se requiere de una ingeniería que pueda proporcionar soluciones integradas, robustas eficientes y con posibilidad de ser optimizadas.

Las tecnologías más eficaces empleadas en la separación de aceites, grasas e hidrocarburos son las tecnologías API, CPI y DAF:

  • API: tanques especiales en los que tiene lugar una separación natural de los sedimentos más pesados. Las sustancias ligeras, con baja densidad y flotantes, se recogen mediante rascadores API (diseñados según las normas del American Petroleum Institute) y son eliminadas del agua.
  • CPI: el CPI (corrugated plate interceptor o interceptor de placa corrugada) es un separador de placas coalescentes aplicado en la separación de aceites e hidrocarburos.

Las tecnologías API y CPI pueden combinarse dentro del mismo tanque para una optimización del proceso.

  • DAF: los equipos DAF permiten la flotación de sólidos en suspensión y sustancias coloidales para su separación del agua, previa aplicación de un proceso de coagulación-floculación para la agrupación de estos sólidos y coloides.

Otras tecnologías menos comunes, pero igualmente efectivas son los ciclones/hidrociclones y los sistemas de filtración por membranas.

Tabla 1. Tecnologías aplicadas en la separación de aceites, grasas e hidrocarburos.

TecnologíaCaracterísticasRendimiento
Separados APISe ha de diseñar en función del tiempo de retenciónIneficiente con aceites emulsionados
Separador CPISe diseña en función de la densidad, viscosidad, temperatura y régimen de flujo. Los tiempos de retención son altosIneficiente con aceites emulsionados. Se suele acoplar con el separador API.
Clarificador DAFIntroducción de agua presurizada que contiene aire disuelto, forma micro burbujas que permiten la flotación de flóculos.Muy alta eficiencia de separación de sólidos, aceites, grasas e hidrocarburos con un sistema de coagulación-floculación bien diseñado. 
HidrociclonesApto para altas concentraciones de aceites. Alto coste de mantenimiento.La eficiencia aumenta con la disposición en serie de varios hidrociclones.
Filtración por membranasTamaños de poro de 0.01µmExtrae de forma eficiente aceites dispersos y compuestos aromáticos.

Las tecnologías más eficaces para la eliminación de compuestos orgánicos disueltos son los sistemas de adsorción, extracción y oxidación avanzada.

Tabla 2. Tecnologías aplicadas en la eliminación de compuestos orgánicos disueltos.

Tabla 2.1. Absorción

Componente principalCaracterísticasRendimiento
Carbón activadoEliminación de benceno, tolueno y trazas de curdo. Aplica altos tiempos de retención y depende del tamaño de poro del CA.Es necesario un proceso de activación del carbón. Eliminaciones entre 50 – 75%.
ZeolitaEliminación de BTEX (benceno, tolueno, etilbenceno y xileno). Se fabrican módulos compactos.Eliminación entre 70 – 80%. Costes de regeneración elevados. Depende de la hidrofobicidad de los compuestos.
NuezEliminación de aceites y trazas de curdo.Eliminación entre 60 – 80%. Bajo coste de la materia prima.
Nano compuestosEliminación de aceites y trazas de curdo.Eliminación del 50% en tiempos reducidos de contacto.
PoliméricoEliminación de benceno, tolueno y trazas de curdo. Pueden ser PET (polietileno tereftalato) o poliestireno.Eliminación de hasta un 99%.

Tabla 2.2. Extracción

Componente principalCaracterísticasRendimiento
SolventeEliminación de grasas libres y/o disueltas.Eficaz pero costoso por la regeneración de solvente. El solvente ha de tratarse como residuo.

Tabla 2.3. Oxidación

Componente principalCaracterísticasRendimiento
FotocatalíticaEliminación de COT, fenoles, BTEX y TPH (hidrocarburos totales del petróleo). Alta influencia del pH. Catalizador: TiO2Eliminación de >80% de BTEX, >95% de TOC, >60% de fenoles, >75% de TPH.
UV / 03Eliminación de ácidos de nafta, amonio e hidrocarburos aromáticos. Control de pH que no debe ser alcalino. Desfavorable con concentraciones de bicarbonatos y Cl- elevadas.Eliminaciones >80%.

Además de tratar el agua, los lodos generados deben gestionarse como residuo especial. Para su deshidratación y estabilización se aplican tecnologías de separadores de alto rendimiento, como filtros prensa y centrífugas.

2. Caso de éxito SIGMA: tratamiento de aguas en la Unidad de Producción Térmica UPT de Ibiza.

2.1 Datos generales del proyecto

LOCALIZACIÓN DEL PROYECTO: Unidad de Producción Térmica de Ibiza.

PROPIETARIO: Endesa – OPERADOR: Endesa Generación.

AÑO DEL PROYECTO: 2012 – 2013

Figura 1. Unidad de Producción Térmica UPT de Ibiza.

FUNCIONAMIENTO DE LA CENTRAL: La central térmica, o UPT, de Ibiza es una instalación termoeléctrica de ciclo convencional situada en el término municipal de Ibiza. Dispone de 13 grupos térmicos activos que suman una potencia de 270 MW (seis motores, cuatro turbinas de gas y tres turbinas de gas doble), y que utilizan el gas natural como combustible principal y el gasoil como auxiliar:

2 x 216 MW motores

4 x 18,4 MW motores

1 x 25 MW turbina gas

1 x 14 MW turbina gas

2 x 25 MW turbina gas

3 x 25 MW turbina gas doble

OBJETIVOS DE TRATAMIENTO: eliminación de aceites, hidrocarburos y sólidos en suspensión del agua residual proveniente de la UPT. 

CARACTERÍSTICAS DEL AGUA: elevada cantidad de aceites e hidrocarburos, y de sólidos en suspensión: 1100 mg/L.

RESUMEN DEL TRATAMIENTO: el tratamiento de aguas residuales se divide en las siguientes etapas, cuyo principal objetivo es la eliminación de los sólidos en suspensión, aceites e hidrocarburos contenidos en el agua,

  • Proceso de separación gruesa de fuel e hidrocarburos mediante tecnología API + CPI
  • Proceso de separación de sólidos por tamizado y desarenado
  • Proceso de separación fina de hidrocarburos
  • Proceso de dosificación de reactivos: coagulación – floculación
  • Tratamiento por flotación DAF (equipo SIGMADAF FPAC-20-S)
Figura 2. Proceso diseñado e instalado por Sigmadaf para el tratamiento de aguas residuales en la industria Oil & Gas. Caso de Éxito de la UPT de Ibiza.

RENDIMIENTO: Los equipos instalados por Agua Sigma permiten alcanzar, a la salida del equipo DAF, concentraciones por debajo de 55 mg/L de sólidos en suspensión totales, aceites y grasas, lo que significa un rendimiento de eliminación del 95%.

2.2 Descripción de la planta de tratamiento de aguas residuales de la UPT de Ibiza

SEPARACIÓN GRUESA DE FUEL E HIDROCARBUROS, TECNOLOGÍA API + CPI.

El sistema diseñado por SIGMA utiliza la tecnología de placas separadoras CPI para la separación de hidrocarburos dentro del tanque.

El tanque es un depósito rectangular con fondo inclinado, que dispone de un tornillo extractor de los sólidos sedimentados e incluye un sistema skimmer de separación de hidrocarburos y aceites de tecnología API.

Cuenta con un circuito calefactor mediante agua caliente. Construido en acero de muy alta calidad.

Figura 3. Equipo SIGMA CPI – API para la separación de fuel e hidrocarburos instalado en la planta de tratamiento de la UPT de Ibiza.
Figura 4. Vista interior del equipo SIGMA CPI – API para la separación de fuel e hidrocarburos instalado en la planta de tratamiento de la UPT de Ibiza

SEPARACIÓN DE SÓLIDOS POR TAMIZADO Y DESARENADO

Incluye tamiz inclinado y tornillo sin eje para la elevación de los sólidos separados. La sección de desarenado incluye un tornillo horizontal de transporte de arenas.

Figura 5. Equipo SIGMA de tamizado y desarenado instalado en la planta de tratamiento de la UPT de Ibiza.

SEPARACIÓN FINA DE HIDROCARBUROS

Consiste en un tanque rectangular con fondo trapezoidal, equipado con un conjunto de lamelas coalescentes independientes para una óptima distribución del agua. Incluye un sistema skimmer de separación de hidrocarburos y aceites. Dispone de un circuito calefactor mediante agua caliente.

Este equipo forma parte del tren de tamizado y desarenado, completando un sistema compacto construido en acero de muy alta calidad.

Figura 6. Equipo SIGMA para la separación de hidrocarburos instalado en la planta de tratamiento de la UPT de Ibiza.

TRATAMIENTO FÍSICO-QUÍMICO Y CLARIFICACIÓN DAF

El tratamiento físico-químico consiste en la adición del coagulante y floculante que permiten la formación de los flóculos que se adhieren a los sólidos en suspensión presentes en el agua, los cuales no pueden separarse naturalmente por sedimentación dada su baja densidad. Este proceso también facilita la eliminación parcial de la materia orgánica asociada a estos sólidos y la eliminación de los residuos de aceites e hidrocarburos que pudieran haber quedado tras el tratamiento anterior.

Figura 7. Reactor SIGMA de coagulación y floculación instalado en la planta de tratamiento de la UPT de Ibiza.

La adición de coagulante y floculante se lleva a cabo en tanque en serie provistos de agitación y construidos en acero de muy alta calidad. Se suministra un sistema de dosificación especialmente ajustado a las dosis necesarias de estos productos. Estas dosis se establecen mediante ensayo previos de floculación ejecutados en el laboratorio, posteriormente, se re-ajusta la dosificación a escala industrial.

Figura 8. Ensayos de coagulación y floculación ejecutados sobre una muestra de agua residual de la UPT de Ibiza. Los resultados de los ensayos se aplican en el diseño de la dosificación de coagulante y floculante a escala industrial.

Los flóculos generados son separados del agua mediante la tecnología de flotación por aire disuelto (DAF). Para la planta de tratamiento construida en la UPT de Ibiza, se diseña e instala un equipo SIGMA DAF modelo FPAC 20.

Figura 9. Equipo de flotación SIGMA DAF FPAC – 20 – S para la clarificación del agua residual, instalado en la planta de tratamiento de la UPT de Ibiza.
Figura 10. Funcionamiento del equipo de flotación SIGMA DAF FPAC 20 para la clarificación del agua residual, instalado en la planta de tratamiento de la UPT de Ibiza.
Figura 11. Equipo de flotación SIGMA DAF FPAC – 20 – S para la clarificación del agua residual, instalado en la planta de tratamiento de la UPT de Ibiza.

Los modelos SIGMA DAF FPAC son un sistema de flotación mediante aire disuelto para la clarificación de aguas residuales. Son equipos de separación por flujos cruzados y con mucha superficie libre donde acumular el lodo flotado.

Los equipos SIGMA DAF FPAC trabajan con caudales pequeños o medianos (entre 5 y 160 m3/h) y con cargas muy elevadas de contaminantes (sólidos en suspensión totales, aceites y grasas, carga orgánica).

Tienen aplicación en FBR (Reactores de flotación biológicos), espesadores de lodos, industria de rendering, industrias cárnicas y mataderos, industria alimentaria, industria minera, petroquímica y papelera, entre otros.

Los sistemas DAF FPAC están especialmente diseñados para tratar corrientes con cargas muy altas de sólidos (hasta 40 kg de sólidos/m2 de superficie libre del sistema) que necesitan una gran área superficial para su flotación y separación, y que no tienen flotabilidad.

El aire de flotación es necesario para mejorar la flotación de los floculos cuando la mezcla de emulsiones, aceites y sólidos afecta la gravedad específica.

Una bomba de recirculación redirige parte del agua clarificada a un sistema de presurización-saturación en la salida de la unidad DAF. El agua recirculada es presurizada por la bomba hasta aproximadamente 6 bares y mezclada con aire presurizado. De esta forma el agua presurizada se saturará con aire presurizado. Bajo estas condiciones de presión, el aire queda disuelto en el agua.

Dentro de la unidad DAF ocurre la despresurización, lo que resulta en la generación de micro burbujas de aire. Las micro burbujas de aire disuelto permiten la eliminación de sólidos, partículas de grasas, aceites, hidrocarburos, etc que no poseen suficiente flotabilidad. Las burbujas son de entre 30-50 micras de diámetro, dimensiones esenciales para que la flotación sea eficiente. Las burbujas se adhieren rápidamente a partículas de dimensiones similares y mayores y se elevan hasta la superficie.

Esta mezcla de agua y burbujas es homogéneamente distribuida en el compartimento de entrada a la unidad DAF bajo condiciones de régimen laminar. Las partículas flotadas se redirigen directamente al sistema de deshidratado en la parte superior de la unidad, donde son eliminadas mediante skimmers. Los lodos, aceites, grasas e hidrocarburos flotados en forma de espuma abandonan la unidad y son almacenados en una tolva de lodos.

Los flóculos flotados abandonan la unidad en forma de espuma mediante un sistema desnatador de skimmers y son recogidos en una tolva de lodos.

La materia sedimentable desciende hasta el compartimento de sedimentos en el fondo de la unidad DAF y es descargada por el sistema de extracción de lodos de tornillo sinfín.

El agua clarificada abandona la unidad mediante un sistema ajustable de sobrenadante. Parte de esta corriente de agua clarificada será redireccionada por la bomba de recirculación para entrar en el sistema de compresión y saturación anteriormente descrito.

3. Referencias 

Lavariega L. 2011, Trenes de Tratamiento para Agua de la Industria Petrolera. División Académica de Ciencias Biológicas, Universidad Juárez Autónoma de Tabasco. 17(33), 25-28.

Mesa S.L., Orjuela J.M., Ortega A.T., Sandoval J.A. 2018. Revisión del panorama actual del manejo de agua de producción en la industria petrolera colombiana. Gestión y Ambiente. 21(1), 87-98.

Revista Petroquímica On Line. 2017. La industria de Oil & Gas, entre las más «críticas» del mundo.

Villegas J.P., Arcila N., Ortega D., Franco C.A., Cortés F.B. 2017. Remoción de hidrocarburos de aguas de producción de la industria petrolera utilizando nanointermedios compuestos por SiO2 funcionalizados con nanopartículas magnéticas. DYNA. 84(202), 6574.

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