Livscykelbedömning av pilotproducerat vatten och övergiven behandlingsprocess för gruvdränering identifierar elanvändning som det dominerande bidraget till processens miljöpåverkan och människors hälsa. En systemgränsförlängning för att inkludera transport visar dess betydande inverkan och en systemoptimeringsmodell användes för att identifiera hur transporter kan minimeras för en region i sydvästra Pennsylvania, ge insikter om framtida genomförande av denna sambehandling. Upphovsman:Leanne Gilbertson. Omtryckt med tillstånd från Miljövetenskap och teknik , 2018 American Chemical Society.
Pennsylvania energihistoria är rik på mängder fossila bränslen som den har producerat, men är också full av miljömässiga arv från kolbrytning och, på senare tid, hydrofrakturering. Vatten som letar sig in i övergivna kolgruvor prickade i samväldet återkommer som sur gruvdrift (AMD), medan sötvatten som används för att bryta eller "fracka" olja och naturgasavlagringar återuppstår som "producerat" vatten som är förorenat med salter, metaller, och radioaktivt material.
Att avhjälpa både AMD och producerat vatten är en dyr process och federal lag förbjuder bortskaffande av producerat vatten vid kommunala vattenreningsverk. Dock, forskning från University of Pittsburgh Swanson School of Engineering, publicerades nyligen i Miljövetenskap och teknik , fann att sambehandling av de två vätskorna kanske inte bara löser två miljöfrågor samtidigt, men också minska miljöpåverkan från båda äldre avfall.
Leanne Gilbertson, biträdande professor i civil- och miljöteknik, är huvudutredare för forskningen, "Livscykelpåverkan och fördelar av en samarbetsprocess för producerad vatten och övergiven gruvdrift" (DOI:10.1021/acs.est.8b03773). Artikeln, författad av doktorand Yan Wang, innehåller relaterad forskning av hennes Swanson School -kollegor, Radisav Vidic, William Kepler Whiteford -professor och avdelningsordförande i civil- och miljöteknik, och docent Vikas Khanna.
"Denna studie är det serendipitösa resultatet av tre olika forskare som har hittat ett gemensamt tema för att förena samarbetet. Radisavs grupp utvecklade metoden för sambehandling av AMD och producerat vatten och han är en ledande forskare inom producerad vattenbehandling via membrandestillation, medan Vikas grupp fokuserar på komplexa systemanalyser, "Dr Gilbertson förklarade." Min expertis inom livscykelbedömning ger ett nytt perspektiv för dessa industrier och ett sätt att kvantifiera avvägningar av miljön och människors hälsa av alternativa metoder för att använda dessa två avloppsvatten. "
Karta över Pennsylvania inklusive den relativa producerade vattenproduktionsvolymen efter län baserat på produktionsdata från 2014 (indikerat med färggradienten, m3/dag) samt platsen och flödeshastigheten (m3/dag) för AMD -webbplatser. Upphovsman:Leanne Gilbertson. Omtryckt med tillstånd från Miljövetenskap och teknik , 2018 American Chemical Society.
Dr Gilbertson och hennes grupp fokuserade på en fem län region i sydvästra Pennsylvania påverkad av både AMD och hydrofracturing — Allegheny, Fayette, Greene, Washington, och Westmoreland län. Forskningen riktade sig mot tre kritiska, ömsesidiga aspekter av sanering-sambehandling av producerat vatten och AMD, transport av vatten till och från gruva och borrplatser, och undvika AMD -utsläpp till miljön. Dr Gilbertsons LCA fann att sambehandling av AMD och producerat vatten är fördelaktigt eftersom, medan den kemiska sammansättningen av varje vätska varierar från plats till plats, de två biprodukterna delar motsatta mängder barium och sulfater som, när de kombineras, kan avlägsnas via nederbörd. Den resulterande vätskan kan sedan användas för att ersätta sötvatten vid framtida frackningsoperationer medan bariten som produceras genom denna process kan användas vid borrningsoperationer.
Dr Gilbertson noterade att detta resultat är viktigt eftersom det skapar värde av två viktiga avfallsprodukter och utesluter miljöpåverkan av AMD. "Medan den kombinerade producerade vattenvolymen från fracking är 4, 450 kubikmeter per dag, det finns svindlande 281, 000 kubikmeter föräldralös AMD produceras dagligen i regionen. Att mildra de två genom sambehandling skulle resultera i minskad sötvattenanvändning och bli en netto miljöfördel. "
Men även med den potentiella positiva effekten av sambehandling, transport av vätskorna mellan gruv- och borrplatser kan skapa en betydande, negativ avvägning. Det kommer att vara en balans mellan den föreslagna och nuvarande hanteringen av producerat vatten, som hans ofta transporterade betydande avstånd för behandling, eller utanför staten för bortskaffande via stora lastbilar som loggar flera hundratusen miles per år.
Den totala sträckan för varje optimeringsscenario, inklusive en enda behandlingsplats upp till fem sambehandlingsplatser. De optimala platserna för sambehandlingsplatser indikeras av gula trianglar och bestämdes genom att gruppera alla fem länen (enstaka plats) eller fyra, tre, två, och ett län, respektive, ligger i sydvästra Pennsylvania. För två sambehandlingsplatser, Allegheny, Washington, och Greene län kombineras som en region och Fayette och Westmoreland som den andra regionen eftersom denna gruppering resulterar i minsta totala transportsträcka jämfört med andra kombinationer med två regioner. För tre samrensningsanläggningar, Washington och Allegheny län kombineras som en region, Fayette och Greene kombineras som den andra regionen, och Westmoreland län representerar den tredje regionen. För fyra samarbetsplatser, Washington och Allegheny kombineras som en region medan Westmoreland, Fayette, och Greene län representerar de tre andra regionerna. Upphovsman:Leanne Gilbertson. Omtryckt med tillstånd från Environmental Science &Technology, 2018 American Chemical Society.
För att minimera dessa betydande effekter, som inte bara omfattar bränsleförbrukning utan även vägslitage och lastbilsavgaser, Dr Khanna och hans doktorand studerande, Sakineh Tavakoli, utvecklat en modell för att identifiera de optimala platserna för sambehandlingsplatser mellan AMD och gasbrunnar i fem länregionen. Även om kostnader i samband med optimerad sambehandling kan vara högre än att använda sötvatten, miljöfördelarna kan vara betydande. Ett annat potentiellt alternativ som för närvarande testas av Dr. Vidic och Khanna är ett mobilt membrandestillationssystem som drivs av spillvärme som genereras under borrning för att behandla producerat vatten på plats.
Och även om optimeringsmodellen utvecklades med hjälp av gruv- och gasbrunnar i fem länregionen, forskarna noterar att detta tillvägagångssätt kan tillämpas på andra områden i Pennsylvania, och i hela USA med liknande data. Wang tillade att det som är nytt med denna forskning är att gruppen försökte kvantifiera fördelarna med att inte släppa ut AMD i ekosystem och miljö.
"Det här är" krediter "till systemet som du inte nödvändigtvis skulle tänka på. Till exempel, genom att använda AMD som en frackingvätska, vi minskar kraftigt mängden sötvatten som skulle gå till spillo. Liknande, genom att optimera transportvägar och utveckla mobila behandlingsplatser, vi minskar avsevärt miljöpåverkan av långdistanstransporter, "Ms Wang." Viktigast av allt, genom att använda AMD som en resurs, vi hjälper till att mildra ett äldre avfall från miljön som sedan förbättrar saneringsarbetet. Kortfattat, kaskadeffekten av sambehandling av dessa två avfallsprodukter kan vara en nettofördel för Pennsylvania. "
