Notas
 
Instituto Mexicano del Transporte
Publicación mensual de divulgación externa

NOTAS núm. 79, enero 2004, artículo 1
Metodología para saneamiento de acuíferos profundos por derrame de hidrocarburos
 

Referencia

Introducción

Los derrames de hidrocarburos ocasionan impactos negativos a los ecosistemas enteros, además, representan importantes pérdidas económicas.

Los hidrocarburos se utilizan para generar la energía que impulsa diferentes motores y también como fluidos de limpieza en estaciones de ferrocarril, autobuses, puertos y aeropuertos. Estos se almacenan en tanques y se mandan a diferentes destinos mediante líneas de conducción y autotanques.

La distribución de los productos derivados del petróleo se realiza en un 70% a través de la red de ductos que recorre gran parte del territorio nacional y que comunica a las diferentes estaciones y subestaciones de distribución y venta con las refinerías y plantas petroquímicas del país. El 30% restante se transporta por medio de autotanques. Los productos transportados, ya sea por ductos o autotanques, son: productos de gasolina, diesel, combustóleo, turbocina y keroseno.

De manera accidental o deliberada, los hidrocarburos pueden llegar al suelo, subsuelo y acuífero, pudiendo migrar hasta los campos donde los pozos de agua bombean para satisfacer el consumo humano, por lo que los derrames se erigen como un peligro potencial para la salud.

Existen tres formas en que suceden los derrames: la primera corresponde a aquellos producidos por los accidentes carreteros o ferroviarios; la segunda a las fugas en los tanques de almacenamiento o líneas de conducción y la tercera obedece a aquellos sitios donde de manera deliberada se construyen tomas clandestinas en ductos y que en la mayoría de los casos quedan fuera de control produciendo el derrame.

Dependiendo de los procesos de transporte de los contaminantes, asociados a las propiedades hidráulicas de las rocas del medio, los derrames pueden alcanzar en un tiempo determinado el nivel de las aguas subterráneas, produciendo la contaminación. Estos impactos ambientales pueden generar que hábitats completos se afecten de forma importante y que su recuperación se realice en periodos de tiempo extremadamente largos, ya que la degradación de forma natural de la más simple de estas sustancias, sucede en teoría, varias decenas de años después.

Los componentes de estos combustibles como el Benceno, Tolueno y Xileno tienen la característica química da la “aromaticidad” y la peculiaridad de ser “cancerígenos” para los humanos y los animales. El cuerpo humano no las puede degradar, pero tampoco desechar, de modo que son absorbidas por algún tejido provocando la mutación de sus células y dando como resultado diferentes tipos de cáncer.

Existe una gran variedad de técnicas probadas para el saneamiento de acuíferos y suelos someros contaminados por hidrocarburos o compuestos orgánicos que van desde la extracción directa, construyendo trincheras o por biorremediación.

En algunas de las cuencas de nuestro país donde existe una gran actividad agrícola, industrial y urbana los acuíferos son profundos, cuyos niveles de agua varían entre 30 metros y 150 metros de profundidad. Tales acuíferos se encuentran en los valles de la Faja Volcánica Transmexicana, entre los que se encuentran: Puebla, Celaya, León, Pachuca, Querétaro, Irapuato, y otros como el de Aguascalientes.

Cuando los suelos son arenosos, limosos o una combinación de ellos, los derrames de hidrocarburos llegan directamente al acuífero.

Con el entendimiento de la teoría de flujo no saturado, procesos tanto de transporte como químicos, se desarrolló una metodología sencilla, económica y rápida para sanear los acuíferos profundos contaminados por hidrocarburos.

Lo más importante es que con esta técnica no es necesario bombear agua e hidrocarburos a la superficie para desasociarlos por algún método, sino que se extrae con una bomba de bajo gasto el mayor volumen de hidrocarburo posible a través de los pozos que sean necesarios.

Cuando queda una delgada capa de compuestos orgánicos en la sima del acuífero se erradican aireando, al fomentar el crecimiento de poblaciones de bacterias y microbios que se alimentan de hidrocarburos y, una vez desaparecido el compuesto orgánico, se consumen entre ellos.

Después, tendrá que hacerse una investigación posterior para comprobar que la contaminación residual por hidrocarburos en la zona vadosa pueda removerse o dejarse fija.

Para la realización de esta metodología se han adoptado conceptos fisicoquímicos de trabajos en otros países y se desarrolla la teoría propia para las condiciones del País.

Se considera este trabajo una contribución tecnológica importante para el saneamiento de los acuíferos profundos como los que se tienen en la república mexicana.

Dispersión de contaminantes en suelos y acuíferos

Para formarse el modelo conceptual de un derrame, su migración y dispersión; se hace el análisis del esquema que aparece en la figura 1.


Figura 1. Modelo conceptual de un derrame, procesos de migración y dispersión en el suelo y la atmósfera.

Suponiendo que una tubería de conducción de gasolina sufrió corrosión debido a la presencia de sulfatos en el sitio donde estaba alojada, a través del tiempo se da la fuga y los hidrocarburos migran verticalmente por efecto de la gravedad hasta el nivel estático.

Existe la zona de agua capilar donde el hidrocarburo, por diferencia de densidad y su incapacidad para desalojar el agua intersticial, da origen a los procesos de dispersión y difusión; la mayor parte de los hidrocarburos se acumulan directamente sobre el nivel del agua y bajo la fuga, extendiendo una pequeña cuña hacia la zona de menor gradiente hidráulico y viceversa.

Un pequeño volumen de contaminantes viaja disuelto en el agua a través de la zona vadosa y por debajo de la fuga queda un volumen de geomateriales con la denominada “contaminación residual”, que se define como aquella substancia que queda adherida a los granos de suelo de manera estable y que no puede ser removida por ningún procedimiento físico o químico.

Los hidrocarburos, cualesquiera que sean, comienzan a experimentar transformaciones químicas en sus cadenas por los procesos de oxidación (oxigenación) y reducción (hidrogenación). El proceso de reducción produce hidrocarburos aromáticos de la forma:

Benceno à

Tolueno à

Xileno à

Clorobenzeno à

Etilbenzeno

C6H6

C6H5CH3

C6H4(CH3)

C6H5Cl

C6H5C2H5


El ambiente REDOX se aprecia en la figura 2, en la que dos importantes regiones se generan: la Zona Óxica y la Zona Anóxica.


Figura 2. Distinción de las regiones del ambiente REDOX (Reducción-Oxidación) en el entorno de un pozo.

La Zona Óxica se divide en dos porciones: “contra” y “hacia” el gradiente hidráulico del nivel del agua. En la primera se produce Bióxido de Carbono como resultado de las actividades metabólicas de respiración de los microorganismos presentes, disolución de carbonatos y Aluminosilicatos; en la segunda porción aparece la precipitación de Carbonatos, Silicatos y Óxido de Hierro.

En la Zona Anóxica existe la disolución del cuarzo, movilización del Hierro y Manganeso, así como el blanqueamiento por precipitación de carbonatos.

En función de las observaciones de campo a través de cámaras de televisión submarina se ha podido evaluar el comportamiento transitorio de los hidrocarburos, los productos finales por transformación química de los hidrocarburos, las interacciones químicas entre el suelo-agua-hidrocarburo, la evolución de las poblaciones de microorganismos, etc.

Conforme viaja el hidrocarburo a través de una región desplaza el aire pero no el agua, dejando una contaminación residual (figura 1) por debajo del núcleo del derrame; el porcentaje del hidrocarburo que permanece inmóvil varía entre 7% y 20% dependiendo de la naturaleza química del medio.

Si la cantidad de hidrocarburo derramada en el suelo es menor a la requerida para llenar los espacios de los poros, juntas o fracturas interconectadas, entonces el compuesto nunca llegará al nivel estático permaneciendo como un volumen colgante arriba del techo del acuífero.

Aspectos considerados por la metodología

La “metodología” es el resultado de la observación de varios acuíferos profundos de la Faja Volcánica Transmexicana contaminados por derrames y fugas, del planteamiento de la evolución del comportamiento, la presentación de una hipótesis físico-química, nuevamente observación para la constatación de los fenómenos, la propuesta de la teoría y, finalmente, su verificación.

Para la metodología de limpieza de los acuíferos profundos, cuando el hidrocarburo debido derrames y fugas se encuentra “flotando” sobre la superficie del agua, se hacen las siguientes consideraciones:

·        Los hidrocarburos se consideran inmiscibles.

·        Los hidrocarburos flotan sobre el nivel estático.

·        Los hidrocarburos se mueven en la dirección del cono de abatimiento, propiciado ya sea por el efecto del bombeo de un pozo o por conjunto de pozos.

·        Los hidrocarburos que se quedan como contaminación residual en el medio que sirvió de trayectoria se pueden degradar, evaporar o sufrir ambos efectos.

·        Los hidrocarburos son la fuente alimenticia de ciertas poblaciones de bacterias y microbios.

·        En el medio, siempre habrá posibilidad de que se desarrollen poblaciones de bacterias autótrofas, heterótrofas y otras.

La hipótesis de la metodología se basa en que:

De los hidrocarburos de un derrame que fluyen hasta el nivel estático: parte de ellos se evapora; otro porcentaje queda como contaminación residual en la zona vadosa y los que alcanzan el nivel del agua tienden a sufrir las transformaciones en aromáticos prescritas anteriormente y un buen volumen de ellos será extraído mediante una bomba de bajo gasto, sin sacar agua del acuífero, pues su manejo se tornaría difícil por el proceso de separación de los hidrocarburos; por lo que el hidrocarburo remanente que flota en el agua y que se encuentra en la zona de mezcla, será removido mediante el fomento al crecimiento de bacterias y microbios por efectos de la aireación dada mediante la agitación en la cámara de bombeo mediante una prueba de aforo. La limpieza final consistirá en un aforo con sus etapas de limpieza y desarrollo, aplicando antes productos bactericidas y surfactantes.

Metodología propuesta para sanear acuíferos profundos

En función de la integración e interpretación de la teoría y lo observado en acuíferos contaminados. la metodología propuesta para sanear acuíferos profundos es:

1.         Determinar el tipo de hidrocarburos. Ligeros o pesados ya que de ello dependerá su transporte, difusión, dispersión, etc.

2.         Establecer la columna geológica y los espesores de cada capa. Ayuda a establecer el potencial de permeabilida de las unidades geológicas. Para construir la columna geológica se analizan los cortes litológicos de los pozos cercanos y se hacen visitas a los afloramientos de rocas para poder observar la existencia de grietas, juntas, tortuosidades y poros.

Esto permite tener el tipo de estructuras geológicas que se encuentran en el subsuelo, así como las posibles barreras que enfrentará el hidrocarburo.

3.         Ubicar en la columna geológica posición y espesor de cada una de las Unidades Geológicas, marcando sus características hidráulicas. La intercalación de estratos con diferente permeabilidad ocasionará que el flujo de los hidrocarburos observe trayectorias diversas.

4.         Establecer la profundidad del nivel estático o el NAF de aguas colgadas. Dado que la cercanía a la superficie del acuífero ocasiona que el hidrocarburo se esparza con mayor rapidez, se deberá investigar en norias y pozos los niveles del agua, ya que en cada uno de esos aprovechamientos hidráulicos se indican las presencia de diferentes almacenamientos de agua como son los acuitardos y acuíferos.

5.         Análisis fisicoquímicos, determinación de materia orgánica, tanto del agua subterránea como del suelo. Dependiendo de los aniones y cationes disueltos, el pH del medio, la presencia de materia orgánica, la demanda de oxígeno, etc., se dará la transformación de los hidrocarburos.

6.         Pruebas de bombeo en pozos y de filtración. Para determinar el valor de la permeabilidad en la formación acuífera, el parámetro de la fracción del coeficiente de almacenamiento y la velocidad de filtración en la zona vadosa se harán pruebas de bombeo y de filtración.

7.         Construcción de uno o más pozos para extracción y monitoreo de los hidrocarburos. Se deberán construir uno o más pozos, según la necesidad para hacer la extracción de los hidrocarburos y monitorear mediante cámara submarina su evolución a través del tiempo.

Las perforaciones se tendrán que hacer con equipos del tipo neumático, que usan solamente aire y detergentes y así evitar el fraguado de la bentonita en el entorno del pozo y darse cuenta de la presencia de los hidrocarburos.

8.         Extracción de los hidrocarburos con una bomba de bajo gasto. Se sabe que por cada litro de hidrocarburo se contamina un metro cúbico de agua; entonces, para sacar un litro de hidrocarburo se tiene que tratar por lo menos un metro cúbico, lo cual incrementa mucho los gastos de limpieza del acuífero, además de verter agua todavía con compuestos en los canales de aguas residuales.

Una vez evaluado el espesor del hidrocarburo se instalarán bombas de bajo gasto (< 1 litro/min ) en cada unos de los pozos construidos para la extracción; la profundidad de la bomba se ajustará de manera continua de tal manera que extraiga solamente los hidrocarburos.

Lo relevante de esta técnica es que no se tiene que instalar una bomba de extracción de agua que genere un cono de abatimiento para que viajen los hidrocarburos y que sean extraídos con otra de menor gasto.

9.         Fomentar la población de colonias de bacterias y microbios. Una vez que se ha extraído el mayor volumen de hidrocarburos, comprobando el espesor de ellos con cámara de televisión submarina, entonces se procede a instalar un equipo de aforo. El equipo de aforo debe tener la capacidad de permitir la agitación del agua en la cámara de bombeo para provocar la aireación y por ende el crecimiento de las bacterias y microbios que se comen el petróleo y posteriormente entre ellos.

10.      Limpieza final del acuífero. Al comprobar que la cantidad de hidrocarburos ha sido consumida considerablemente por las poblaciones de bacterias y microbios, mediante análisis cromatográficos y con cámara de televisión, se procederá ha realizar la limpieza final del acuífero clorando, pistoneado y cepillando el pozo en toda su longitud; para que finalmente se haga un aforo con las etapas de limpieza y desarrollo hasta que el agua esté prácticamente limpia.

Caso de aplicación y comprobación de la teoría

En una de tantas plantas de almacenamiento de combustibles ubicadas en la Faja Volcánica Transmexicana, una tubería de conducción subterránea de gasolina sufrió una fractura por la acción de los movimientos en la capa activa debido a los cambios volumétricos por la variación de la humedad volumétrica.

En el agua de los servicios comenzaron a manifestarse tanto el olor como la presencia de gasolina, por lo que se procedió a realizar un registro con cámara de televisión submarina al pozo, reportando con base en las imágenes de la figura 3 la descripción siguiente:

A partir de 172

ft

el ademe está humedecido por la presencia de la gasolina que le ha provocado cierta corrosión,

291

ft

¡nivel de gasolina!,

291-297

ft

espesor aparente de gasolina,

297-301

ft

alguna fase de hidrocarburo más denso,

301

ft

Nivel estático, zona de mezcla.


Dadas las características de densidad de la gasolina y porosidad de los materiales geológicos, la ascensión capilar hasta la altura crítica Zc medida fue de 11.7 metros; mientras que el espesor de hidrocarburos “ho“ es de 3 metros considerando un área de 10,000 m2.

Respecto a las imágenes que aparecen en la figura3 sacadas al fotografiar la cinta de video original se comenta lo siguiente:


Figura 3. Imágenes importantes del video del pozo de agua profundo.

A la profundidad de 290 ft (88.4 m) se observa el nivel de gasolina, el ademe es de ranuras verticales; la imagen de 295 ft (90 m) muestra el cuerpo de la gasolina aún sin sufrir transformación, es notar el color rojo de la gasolina magna; a 297 ft (90.5 m) la gasolina está en contacto con hidrocarburos pesados y descompuestos, de ahí su coloración negra; de 300 (91.4 m) a 301 ft (91.7 m) se considera una zona de mezcla con hidrocarburos traslúcidos.

a 365 ft (111 m) y 378 ft (115 m) es de notarse las poblaciones de bacterias que se han desarrollado, en esos intervalos se llevan a cabo procesos redox. a 483 ft (147 m) de profundidad está el fondo del pozo y la imagen muestra las colonias de bacterias y microbios en suspensión.

Algunos comentarios acerca de los resultados

El volumen de la fuga fue de 95,000 litros de gasolina y en tres semanas de bombeo se recuperaron 80,000 litros que se pudieron volver a utilizar. Entre el producto evaporado que sirvió para el inicio del crecimiento de las colonias bacterianas y el que se quedó como contaminación residual fija e inamovible, fueron 15,000 litros que corresponden a un 16% del volumen total derramado; dato que es conforme con lo encontrado por McKee (1972), Iniestra G., S. y Velásquez M., A. (1998).

La cromatografía de gases del análisis BETEX para el agua del pozo posterior a la remediación (figura 4) muestra solamente trazas de los hidrocarburos aromáticos, confirmado la limpieza casi total del acuífero.


FIGURA 4. Cromatografía de gases (BETEX) para el agua del acuífero ya saneado.

El tiempo que duró la remediación fue de siete meses aproximadamente, y es el lapso que hay entre uno y otro registro de la cámara de televisión submarina. Vale comentar que en ese tiempo el nivel estático descendió de 301 ft (92 m) a 307 ft (94 m) abatiéndose aproximadamente 2 metros. Se decidió instalar ademe tipo canastilla a lo largo de toda la longitud perforada para que en la zona vadosa los vapores de la gasolina fluyeran más fácilmente al interior y se escaparan a la atmósfera y en la zona saturada para que el hidrocarburo fluyera y se aireara más rápidamente.

Finalmente, para evitar fugas, se decidió instalar tuberías elevadas en la planta para conservar y mantener en óptimas condiciones las líneas de conducción, atendiendo a las normas de PROFEPA y SEMARNAP el pozo de extracción se quedó para monitorear el subsuelo construyendo dos pozos más en lugares cercanos a los tanques de almacenamiento, en ninguno se encontró rastro alguno de hidrocarburos. Se construyó un nuevo pozo para el agua de servicios.

Conclusiones y comentarios finales

Con el análisis, interpretación e integración de las investigaciones aplicadas se concluye lo siguiente:

Conclusiones

  • Los acuíferos profundos se ven afectados por los derrames accidentales o deliberados de compuestos orgánicos en el suelo y subsuelo, mediante la fuga de tanques de almacenamiento, tuberías de conducción, volcaduras de pipas, etc.
  • Un acuífero, entre más cerca esté de la superficie, más vulnerable se torna.
  • La permeabilidad y espesor de la zona vadosa juega un papel importante para el flujo de contaminantes debido a que en ella se queda la contaminación residual y se llevan a cabo los procesos de retención y transformación.
  • Por los ensayes de laboratorio y lo observado en campo como resultado de la investigación aplicada, la “retención” varía entre 7% y 20% del volumen total derramado.
  • Con técnicas sencillas y económicas, como es el “potencial natural”, se pueden definir las plumas de contaminación de los hidrocarburos detalladamente sin importar la profundidad a la que  estos se encuentren, ya que se aprovecha el halo de alteración y la generación de una fuerza electro motriz que se da al entrar en contacto fluidos de diferentes densidades.
  • Los derrames siempre migran de manera vertical debido a las fuerzas de gravedad.
  • Las zonas anómalas delineadas por las configuraciones de concentración de hidrocarburos volátiles y de explosividad, definen claramente el núcleo del derrame.
  • Si el área que señala la configuración de concentración de hidrocarburos volátiles es muy grande, significa que las capas de suelo son intercalaciones de estratos diferentes o bien, que es uno solo con una permeabilidad muy baja.
  • Siempre se forma una zona óxica y otra anóxica debido a los potenciales de reducción y oxidación, estas zonas favorecen la aparición de bacterias autótrofas y heterótrofas que se comen los compuestos orgánicos y posteriormente entre ellas mismas.
  • Por cada litro de hidrocarburo presente en el agua se contamina un metro cúbico de agua; pensando en ese aspecto, los saneamientos de acuíferos a poca profundidad siempre se han realizado sacando una cantidad de agua considerable para después separarla en superficie por dispersión.
  • El manejo de tales volúmenes de agua se considera poco eficiente, por lo que debe de considerarse solamente extraer el hidrocarburo y conformar las condiciones óptimas para que las poblaciones de bacterias hagan la biorremediación en los tiempos prescritos.

Con esta técnica no se extraen considerables volúmenes de agua, de los cuales, es muy difícil su manejo.

El tiempo en que se llevó a cabo el saneamiento del acuífero, fue el tiempo que le tomó a las colonias bacterianas “autóctonas” acabar con el hidrocarburo y consumirse entre ellas.

Respecto a la contaminación residual en la zona vadosa, se recomienda, aprovechando la retención, solubilidad, densidades, etc., hacer pruebas con la inyección de vapor, que es una técnica similar a la empleada para la recuperación secundaria en la industria petrolera.

Alfonso ALVAREZ-MANILLA A.
Guadalupe E. I. MARTÍNEZ P.
Miguel Antonio FLORES P.
Paul GARNICA A.
Síntesis de la Publicación Técnica No. 196, “Metodología para saneamiento de acuíferos profundos por derrame de hidrocarburos”, elaborada por los mismos autores, investigadores del Instituto Mexicano del Transporte. La edición del presente artículo fue elaborada por
José Antonio ARROYO O.
y Bernardo LASTRA F.
investigadores de la misma institución.



* Síntesis del documento: ALVAREZ-MANILLA A., Alfonso; Guadalupe E. I. MARTÍNEZ P.; Miguel A. FLORES P. y Paul GARNICA ANGUAS, “Metodología para saneamiento de acuíferos profundos por derrame de hidrocarburos”, Publicación Técnica No. 196, Instituto Mexicano del Transporte, Sanfandila, Qro., 2002.

 
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