La valutazione del ciclo di vita di un processo di co-trattamento dell'acqua prodotta su scala pilota e del drenaggio di miniere abbandonate identifica l'uso dell'elettricità come il contributo dominante agli impatti ambientali e sulla salute umana del processo. Un'estensione dei confini del sistema per includere il trasporto dimostra il suo impatto significativo ed è stato impiegato un modello di ottimizzazione del sistema per identificare come ridurre al minimo il trasporto per una regione nel sud-ovest della Pennsylvania, fornendo approfondimenti sulla futura attuazione di questo approccio di co-trattamento. Credito:Leanne Gilbertson. Ristampato con il permesso di Scienze e tecnologie ambientali , 2018 Società Chimica Americana.
La storia energetica della Pennsylvania è ricca di quantità di combustibili fossili che ha prodotto, ma è anche ricco di eredità ambientali dell'estrazione del carbone e, più recentemente, idrofrattura. L'acqua che trova la sua strada nelle miniere di carbone abbandonate disseminate in tutto il Commonwealth riemerge come drenaggio delle miniere acide (AMD), mentre l'acqua dolce utilizzata per fratturare o "frack" i giacimenti di petrolio e gas naturale riemerge come acqua "prodotta" contaminata da sali, metalli, e materiale radioattivo.
La bonifica sia dell'AMD che dell'acqua prodotta è un processo costoso e la legge federale vieta lo smaltimento dell'acqua prodotta negli impianti di trattamento delle acque municipali. Però, ricerca dell'Università di Pittsburgh Swanson School of Engineering, pubblicato di recente in Scienze e tecnologie ambientali , ha scoperto che il co-trattamento dei due fluidi può non solo risolvere due problemi ambientali contemporaneamente, ma anche ridurre l'impatto ambientale di entrambi i rifiuti legacy.
Leanne Gilbertson, professore assistente di ingegneria civile e ambientale, è il principale investigatore della ricerca, "Impatto del ciclo di vita e compromessi sui vantaggi di un processo di co-trattamento dell'acqua prodotta e del drenaggio di miniere abbandonate" (DOI:10.1021/acs.est.8b03773). L'articolo, scritto dallo studente laureato Yan Wang, incorpora la ricerca correlata dai suoi colleghi della Swanson School, Radisav Vidic, il professore William Kepler Whiteford e presidente del dipartimento di ingegneria civile e ambientale, e Professore Associato Vikas Khanna.
"Questo studio è il risultato fortuito di tre diversi ricercatori che hanno trovato un tema comune per unire la collaborazione. Il gruppo di Radisav ha sviluppato il metodo per co-trattare AMD e acqua prodotta ed è un ricercatore leader nel campo del trattamento dell'acqua prodotta tramite distillazione a membrana, mentre il gruppo di Vikas si concentra sull'analisi di sistemi complessi, "Il Dr. Gilbertson ha spiegato. "La mia esperienza nella valutazione del ciclo di vita offre una nuova prospettiva a queste industrie e un modo per quantificare i compromessi dell'impatto ambientale e sulla salute umana di approcci alternativi all'utilizzo di queste due acque reflue".
Mappa della Pennsylvania che include i relativi volumi di produzione di acqua prodotta per contea basata sui dati di produzione 2014 (indicati dal gradiente di colore, m3/giorno) nonché l'ubicazione e la portata (m3/giorno) dei siti AMD. Credito:Leanne Gilbertson. Ristampato con il permesso di Scienze e tecnologie ambientali , 2018 Società Chimica Americana.
La dottoressa Gilbertson e il suo gruppo si sono concentrati su una regione di cinque contee della Pennsylvania sudoccidentale colpita sia dall'AMD che dall'idrofratturazione:Allegheny, Fayette, verde, Washington, e contee di Westmoreland. La ricerca ha preso di mira tre critici, aspetti reciproci della bonifica:co-trattamento dell'acqua prodotta e AMD, trasporto di acqua da e verso i siti minerari e di trivellazione, ed evitando la dispersione di AMD nell'ambiente. L'LCA del Dr. Gilbertson ha scoperto che il co-trattamento dell'AMD e l'acqua prodotta è vantaggioso perché, mentre la composizione chimica di ciascun fluido varia da sito a sito, i due sottoprodotti condividono quantità opposte di bario e solfati che, quando combinato, può essere rimosso tramite precipitazione. Il fluido risultante può quindi essere utilizzato per sostituire l'acqua dolce nelle future operazioni di fracking mentre la barite prodotta da questo processo può essere utilizzata nelle operazioni di perforazione.
Il Dr. Gilbertson ha notato che questo risultato è importante perché crea valore da due significativi prodotti di scarto e preclude l'impatto ambientale di AMD. "Mentre il volume di acqua prodotta combinata dal fracking è 4, 450 metri cubi al giorno, c'è uno sbalorditivo 281, 000 metri cubi di AMD orfani prodotti giornalmente nella regione. Mitigare i due attraverso il co-trattamento comporterebbe una riduzione dell'uso di acqua dolce e diventerebbe un vantaggio ambientale netto".
Ma anche con il potenziale impatto positivo del co-trattamento, il trasporto dei fluidi tra i siti minerari e quelli di perforazione potrebbe creare un significativo, compromesso negativo. Sarà un equilibrio tra la gestione proposta e quella attuale dell'acqua prodotta, che il suo spesso trasportato distanze significative per il trattamento, o fuori dallo stato per lo smaltimento tramite grossi camion che percorrono diverse centinaia di migliaia di miglia all'anno.
La distanza totale percorsa per ogni scenario di ottimizzazione, compreso un unico luogo di co-trattamento fino a cinque siti di co-trattamento. Le posizioni ottimali dei siti di co-trattamento sono indicate da triangoli gialli e sono state determinate raggruppando insieme tutte e cinque le contee (singola posizione) o quattro, tre, Due, e una contea, rispettivamente, situato nel sud-ovest della Pennsylvania. Per il caso di due siti di co-trattamento, Allegheny, Washington, e le contee di Greene sono combinate come una regione e Fayette e Westmoreland come l'altra regione poiché questo raggruppamento si traduce in una distanza di trasporto totale minima rispetto ad altre combinazioni di due regioni. Per il caso di tre impianti di co-trattamento, Le contee di Washington e Allegheny sono unite come un'unica regione, Fayette e Greene sono unite come la seconda regione, e la contea di Westmoreland rappresenta la terza regione. Per il caso di quattro siti di co-trattamento, Washington e Allegheny sono combinate come un'unica regione mentre Westmoreland, Fayette, e le contee di Greene rappresentano le altre tre regioni. Credito:Leanne Gilbertson. Ristampato con il permesso di Environmental Science &Technology, 2018 Società Chimica Americana.
Per ridurre al minimo questi impatti significativi, che includono non solo il consumo di carburante, ma anche l'usura della strada e gli scarichi dei camion, Il dottor Khanna e il suo dottorato di ricerca. alunno, Sakineh Tavakoli, ha sviluppato un modello per identificare le posizioni ottimali per i siti di co-trattamento tra AMD e i pozzi di gas nella regione delle cinque contee. Sebbene i costi associati al co-trattamento ottimizzato possano essere più elevati rispetto all'utilizzo di acqua dolce, i benefici ambientali potrebbero essere significativi. Un'altra potenziale opzione attualmente in fase di sperimentazione da parte di Drs. Vidic e Khanna è un sistema di distillazione a membrana mobile che sarebbe alimentato dal calore di scarto generato durante la perforazione per trattare l'acqua prodotta in loco.
E sebbene il modello di ottimizzazione sia stato sviluppato utilizzando siti minerari e di pozzi di gas nella regione delle cinque contee, i ricercatori notano che questo approccio può essere applicato ad altre aree della Pennsylvania, e in tutti gli Stati Uniti utilizzando dati simili. La signora Wang ha aggiunto che la novità di questa ricerca è che il gruppo ha tentato di quantificare i benefici del non rilascio di AMD negli ecosistemi e nell'ambiente.
"Questi sono "crediti" al sistema a cui non penseresti necessariamente. Ad esempio, utilizzando AMD come fluido per il fracking, stiamo riducendo notevolmente la quantità di acqua dolce che verrebbe sprecata. Allo stesso modo, ottimizzando le vie di trasporto e sviluppando siti di trattamento mobili, stiamo riducendo significativamente l'impatto ambientale dei trasporti a lungo raggio, "La signora Wang ha detto. "La cosa più importante è che utilizzando AMD come risorsa, stiamo aiutando a mitigare uno spreco legacy dall'ambiente che quindi migliora gli sforzi di bonifica. In breve, l'effetto a cascata del co-trattamento di questi due prodotti di scarto può essere un vantaggio netto per la Pennsylvania".
