La evaluación del ciclo de vida de un proceso de co-tratamiento de agua producida a escala piloto y drenaje de una mina abandonada identifica el uso de electricidad como la contribución dominante a los impactos ambientales y de salud humana del proceso. Una extensión de los límites del sistema para incluir el transporte demuestra su impacto significativo y se empleó un modelo de optimización del sistema para identificar cómo se puede minimizar el transporte para una región en el suroeste de Pensilvania. proporcionando información sobre la implementación futura de este enfoque de co-tratamiento. Crédito:Leanne Gilbertson. Reproducido con permiso de Ciencia y tecnología ambiental , 2018 Sociedad Química Estadounidense.
La historia energética de Pensilvania es rica en cantidades de combustibles fósiles que ha producido, pero también está plagado de legados ambientales de la minería del carbón y, más recientemente, hidrofracturamiento. El agua que llega a las minas de carbón abandonadas esparcidas por toda la Commonwealth resurge como drenaje ácido de minas (AMD), mientras que el agua dulce utilizada para fracturar o "fracturar" los depósitos de petróleo y gas natural vuelve a emerger como agua "producida" contaminada con sales, rieles, y material radiactivo.
Recuperar tanto la AMD como el agua producida es un proceso costoso y la ley federal prohíbe la eliminación del agua producida en las plantas de tratamiento de agua municipales. Sin embargo, investigación de la Escuela de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh, publicado recientemente en Ciencia y tecnología ambiental , descubrió que el tratamiento conjunto de los dos fluidos no solo puede resolver dos problemas ambientales a la vez, pero también reducir el impacto ambiental de ambos residuos heredados.
Leanne Gilbertson, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental, es el investigador principal de la investigación, "Intercambio de beneficios e impacto del ciclo de vida de un proceso de tratamiento conjunto de agua producida y drenaje de una mina abandonada" (DOI:10.1021 / acs.est.8b03773). El artículo, escrito por el estudiante graduado Yan Wang, incorpora investigaciones relacionadas de sus colegas de Swanson School, Radisav Vidic, el Profesor William Kepler Whiteford y Director del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, y el profesor asociado Vikas Khanna.
"Este estudio es el resultado fortuito de tres investigadores diferentes que encontraron un tema común para unir la colaboración. El grupo de Radisav desarrolló el método para el tratamiento conjunto de la DMAE y el agua producida, y él es un investigador líder en el campo del tratamiento del agua producida mediante destilación por membranas. mientras que el grupo de Vikas se centra en el análisis de sistemas complejos, "Explicó el Dr. Gilbertson." Mi experiencia en la evaluación del ciclo de vida aporta una nueva perspectiva a estas industrias y una forma de cuantificar las compensaciones del impacto ambiental y en la salud humana de los enfoques alternativos para utilizar estas dos aguas residuales ".
Mapa de Pensilvania que incluye los volúmenes relativos de generación de agua producida por condado según los datos de producción de 2014 (indicados por el gradiente de color, m3 / día), así como la ubicación y el caudal (m3 / día) de los sitios de AMD. Crédito:Leanne Gilbertson. Reproducido con permiso de Ciencia y tecnología ambiental , 2018 Sociedad Química Estadounidense.
La Dra. Gilbertson y su grupo se centraron en una región de cinco condados del suroeste de Pensilvania afectada por la DMAE y la hidrofractura:Allegheny, Fayette, Greene, Washington, y los condados de Westmoreland. La investigación se centró en tres aspectos mutuos de la remediación:co-tratamiento del agua producida y DMAE, transporte de agua hacia y desde la mina y los sitios de perforación, y evitar la descarga de AMD al medio ambiente. El LCA del Dr. Gilbertson descubrió que el tratamiento conjunto de la DMAE y el agua producida es beneficioso porque, mientras que la composición química de cada fluido varía de un sitio a otro, los dos subproductos comparten cantidades opuestas de bario y sulfatos que, cuando se combina, se puede eliminar mediante precipitación. El fluido resultante se puede usar para reemplazar el agua dulce en futuras operaciones de fracturación hidráulica, mientras que la barita producida por este proceso se puede usar en operaciones de perforación.
El Dr. Gilbertson señaló que este resultado es importante porque crea valor de dos importantes productos de desecho y evita los impactos ambientales de AMD. "Si bien el volumen combinado de agua producida por el fracking es 4, 450 metros cúbicos por día, hay un asombroso 281, 000 metros cúbicos de DMAE huérfanos producidos diariamente en la región. Mitigar los dos mediante el co-tratamiento resultaría en una reducción del uso de agua dulce y se convertiría en un beneficio ambiental neto ".
Pero incluso con el posible impacto positivo del tratamiento conjunto, El transporte de fluidos entre los sitios de minería y perforación podría crear una compensación negativa. Será un equilibrio entre el manejo propuesto y actual del agua producida, que a menudo transportaba distancias significativas para recibir tratamiento, o fuera del estado para su eliminación a través de grandes camiones que registran varios cientos de miles de millas por año.
La distancia total recorrida para cada escenario de optimización, incluido un único lugar de cotratamiento hasta cinco lugares de cotratamiento. Las ubicaciones óptimas de los sitios de cotratamiento se indican mediante triángulos amarillos y se determinaron agrupando los cinco condados juntos (ubicación única) o cuatro, Tres, dos, y un condado, respectivamente, ubicado en el suroeste de Pensilvania. Para el caso de dos sitios de cotratamiento, Allegheny, Washington, y los condados de Greene se combinan como una región y Fayette y Westmoreland como la otra región, ya que esta agrupación da como resultado una distancia de transporte total mínima en comparación con otras combinaciones de dos regiones. Para el caso de tres plantas de cotratamiento, Los condados de Washington y Allegheny se combinan como una sola región, Fayette y Greene se combinan como la segunda región, y el condado de Westmoreland representa la tercera región. Para el caso de cuatro sitios de cotratamiento, Washington y Allegheny se combinan como una región, mientras que Westmoreland, Fayette, y los condados de Greene representan las otras tres regiones. Crédito:Leanne Gilbertson. Reproducido con permiso de Environmental Science &Technology, 2018 Sociedad Química Estadounidense.
Para minimizar estos impactos significativos, que incluyen no solo el uso de combustible, sino también el desgaste de la carretera y el escape de los camiones, Dr. Khanna y su Ph.D. estudiante, Sakineh Tavakoli, desarrolló un modelo para identificar las ubicaciones óptimas para los sitios de tratamiento conjunto entre AMD y los pozos de gas en la región de los cinco condados. Aunque los costos asociados con el co-tratamiento optimizado pueden ser más altos que el uso de agua dulce, los beneficios ambientales podrían ser significativos. Otra opción potencial que actualmente están probando los Dres. Vidic y Khanna es un sistema de destilación de membrana móvil que funcionaría con el calor residual generado durante la perforación para tratar el agua producida en el sitio.
Y aunque el modelo de optimización se desarrolló utilizando sitios de minería y pozos de gas en la región de cinco condados, los investigadores señalan que este enfoque se puede aplicar a otras áreas de Pensilvania, y en todo EE. UU. utilizando datos similares. La Sra. Wang agregó que lo novedoso de esta investigación es que el grupo intentó cuantificar los beneficios de no liberar AMD en los ecosistemas y el medio ambiente.
"Estos son" créditos "para el sistema en los que no necesariamente pensarías. Por ejemplo, utilizando AMD como fluido de fracturación hidráulica, estamos reduciendo en gran medida la cantidad de agua dulce que se desperdiciaría. Similar, optimizando las rutas de transporte y desarrollando sitios de tratamiento móviles, estamos reduciendo significativamente el impacto medioambiental de los camiones de larga distancia, "Dijo la Sra. Wang." Lo más importante es que utilizando AMD como recurso, estamos ayudando a mitigar un desperdicio heredado del medio ambiente que luego mejora los esfuerzos de remediación. En breve, el efecto en cascada del tratamiento conjunto de estos dos productos de desecho puede ser un beneficio neto para Pensilvania ".
