Date le abbondanti risorse naturali della Pennsylvania, non sorprende che il Commonwealth sia diventato una mecca per la fratturazione idraulica. Ricercatori, però, hanno scoperto di recente che il rilascio di milioni di galloni di acque reflue trattate di fratturazione idraulica ogni anno nelle acque superficiali dell'area può avere effetti più duraturi di quanto originariamente pensato.

Secondo la US Energy Information Administration, la fratturazione idraulica ha rappresentato più della metà della produzione di petrolio degli Stati Uniti e due terzi della produzione di gas degli Stati Uniti nel 2015. Si prevede che tale percentuale aumenterà man mano che più stati iniziano ad adottare la pratica. Sebbene gli studi dimostrino che la fratturazione idraulica produce meno emissioni di gas serra rispetto alle vecchie tecnologie come il carbone, viene con altre preoccupazioni ambientali. In cima a questa lista c'è l'acqua di scarico che produce, che contiene una moltitudine di contaminanti potenzialmente pericolosi. Solo nel 2015 I pozzi di gas non convenzionali della Pennsylvania hanno prodotto quasi 1,7 miliardi di galloni di acque reflue. Mentre ci sono strutture dedicate al trattamento delle acque reflue prima del loro rilascio, forniscono solo un trattamento limitato, lasciando intatti molti degli inquinanti.

Per comprendere meglio l'impatto di questi contaminanti sull'ambiente, Il professore di ingegneria ambientale della Penn State Bill Burgos e i suoi colleghi hanno studiato campioni di sedimenti raccolti da un bacino idrico nella Pennsylvania occidentale. Lo studio è stato pubblicato nell'ultimo numero di Scienze e tecnologie ambientali .

"Non c'era un custode dell'acqua che fosse seduto in questi fiumi a raccogliere questi campioni a una grande sequenza continua, quindi in un certo senso molte informazioni sono appena passate, " disse Burgos. "Ma in certi bacini idrici, dove i sedimenti si raccolgono nel tempo, ci sono strati di sedimenti che sono come gli anelli di un albero; puoi guardare nei sedimenti e catturare campioni compositi spazialmente e temporali."

L'obiettivo dello studio era utilizzare i sedimenti che si erano accumulati per ricostruire l'attività industriale di petrolio e gas che stava avvenendo durante il boom dello sviluppo di Marcellus Shale in Pennsylvania, dal 2008 al 2015 circa al fine di acquisire una migliore comprensione dell'impatto storico dello smaltimento delle acque reflue di petrolio e gas.

"Hai bisogno di un lago o di un serbatoio che permetta ai sedimenti di depositarsi indisturbati in quegli strati, " disse Burgos. "Le parole che usiamo sono una 'registrazione temporale coerente.' Si ottiene una registrazione temporale coerente solo se si tratta di un lago che accumula continuamente sedimenti e non è soggetto a inondazioni o dilavamenti".

Xiaofeng Liu, professore assistente di ingegneria civile, sviluppato un modello al computer per ricostruire gli strati di sedimento al fine di identificare la migliore posizione di campionamento. I ricercatori hanno scelto il Conemaugh River Lake nella Pennsylvania occidentale. Questo sito offriva un'elevata concentrazione di acque reflue e una bassa diluizione delle acque reflue, così come un serbatoio controllato da una diga.

Una volta deciso il luogo, il team ha iniziato a raccogliere campioni.

"Abbiamo inserito un tubo nel sedimento come si metterebbe una cannuccia in uno Slurpee o un fangoso, " disse Burgos. "Metti il ​​pollice sulla cannuccia, e tu lo tiri fuori."

In questo caso, usavano grondaie agricole, cappucci di plastica e nastro adesivo, piuttosto che una cannuccia e un pollice, raccogliere i campioni di sedimento, che sono stati immediatamente congelati per preservarne il contenuto e poi riportati al laboratorio di Kappe Environmental Engineering a Penn State.

Una volta in laboratorio, i ricercatori hanno spinto fuori i campioni come un ghiacciolo push-up, tagliandoli a fettine.

"Li abbiamo suddivisi in diverse sezioni in modo da poter eseguire analisi diverse su di essi, " ha detto Nathaniel Warner, assistente professore di ingegneria ambientale presso la Penn State e coautore dello studio.

Warner ha detto che i ricercatori, in collaborazione con la Colorado State University, cercato firme di alta radioattività e misurato l'acqua interstiziale e i radioisotopi per determinare l'età dei sedimenti. Hanno anche testato la mineralogia maggiore, granulometria e granulometria, nel tentativo di sviluppare un profilo completo.

I risultati hanno determinato che lo scarico di acque reflue di petrolio e gas ha avuto un impatto sulla qualità dell'acqua e sulla qualità dei sedimenti su una scala più ampia di quanto si pensasse in precedenza. Grandi quantità di acque reflue petrolifere e gassose con elevati carichi di cloruri, bario, stronzio, il radio e i composti organici hanno lasciato elevate concentrazioni nei sedimenti e nell'acqua interstiziale.

Nello specifico, sono stati trovati due importanti tipi di contaminanti organici:interferenti endocrini (nonilfenoli etossilati) e cancerogeni (idrocarburi policiclici aromatici). Le concentrazioni più elevate hanno coinciso con strati di sedimenti depositati da cinque a dieci anni fa, durante il picco dell'attività di Marcellus Shale.

"Gli isotopi confermano che si tratta di rifiuti non convenzionali di petrolio e gas, " disse Burgos.

Alcuni rapporti isotopici, come stronzio e radio, sono piuttosto unici per la formazione di Marcello. Un precedente studio condotto da Warner ha rilevato che i livelli di radio immediatamente a valle di un impianto erano circa 200 volte maggiori rispetto ai sedimenti situati a monte degli impianti. Questo studio attuale dimostra che sono stati trovati livelli elevati fino a 12 miglia a valle degli impianti di trattamento.

"Si tratta di contaminanti che sono passati attraverso questi impianti centralizzati di trattamento dei rifiuti, e possono essere trasportati a grandi distanze, " disse Burgos.

Sebbene i risultati mostrino una contaminazione a lungo termine dei bacini idrografici della Pennsylvania, i ricercatori affermano che gli effetti sull'ambiente e sulla salute umana sono ancora sconosciuti e difficili da valutare.

"È una specie di sconosciuto, rischio non quantificato, " disse Burgos. "La cosa che non sai è l'effetto sinergico di tutte queste cose insieme, l'effetto combinato di radio e piombo e tensioattivi e sale, tutti insieme. L'effetto combinato di queste cose aumenta la tossicità?"

Lo studio ha mostrato un calo significativo della quantità di contaminanti rilasciati nelle acque superficiali a seguito del divieto volontario di scarico dei rifiuti di Marcellus richiesto dal Dipartimento per la protezione ambientale della Pennsylvania, iniziata nel 2011, suggerendo che una regolamentazione più severa delle acque reflue aiuta.

I ricercatori ora vogliono utilizzare i materiali che hanno raccolto per misurare la tossicità biologica degli strati di sedimenti nel tempo. Hanno anche in programma di testare campioni di sedimenti in luoghi più a valle verso Pittsburgh per vedere fino a che punto si è diffusa la contaminazione e fino a che punto.

"Forse non arrivano mai a Pittsburgh, " disse Burgos. "Ma il fatto è che guardi una mappa e ci sono altre piante a monte di Pittsburgh sul fusto principale del fiume Allegheny e non c'è motivo di suggerire che queste piante non stiano contribuendo allo stesso modo".