Pennsylvania's energiegeschiedenis is rijk aan de hoeveelheden fossiele brandstoffen die het heeft geproduceerd, maar staat ook bol van de ecologische erfenissen van de steenkoolwinning en, recenter, hydrofracturering. Water dat zijn weg vindt naar verlaten kolenmijnen verspreid over het Gemenebest, duikt weer op als zure mijnafvoer (AMD), terwijl zoet water dat wordt gebruikt om olie- en aardgasafzettingen te breken of te "fracken", weer opduikt als "geproduceerd" water dat verontreinigd is met zouten, metalen, en radioactief materiaal.

Het saneren van zowel AMD als geproduceerd water is een duur proces en de federale wet verbiedt het lozen van geproduceerd water bij gemeentelijke waterzuiveringsinstallaties. Echter, onderzoek van de University of Pittsburgh Swanson School of Engineering, onlangs gepubliceerd in Milieuwetenschap en -technologie , ontdekte dat gelijktijdige behandeling van de twee vloeistoffen niet alleen twee milieuproblemen tegelijk kan oplossen, maar ook de milieu-impact van beide oude afvalstoffen verminderen.

Leanne Gilbertson, assistent-professor civiele en milieutechniek, is hoofdonderzoeker van het onderzoek, "Levenscyclusimpact en voordeelafwegingen van een co-behandelingsproces voor geproduceerd water en verlaten mijnafvoer" (DOI:10.1021/acs.est.8b03773). Het artikel, geschreven door afgestudeerde student Yan Wang, bevat gerelateerd onderzoek door haar collega's van de Swanson School, Radisav Vidic, de William Kepler Whiteford hoogleraar en afdelingsvoorzitter van Civiele en Milieutechniek, en universitair hoofddocent Vikas Khanna.

"Deze studie is het serendipiteuze resultaat van drie verschillende onderzoekers die een gemeenschappelijk thema hebben gevonden om de samenwerking te verenigen. De groep van Radisav ontwikkelde de methode voor de gezamenlijke behandeling van AMD en geproduceerd water en hij is een vooraanstaand onderzoeker op het gebied van geproduceerde waterbehandeling via membraandestillatie, terwijl de groep van Vikas zich richt op complexe systeemanalyse, " verklaarde Dr. Gilbertson. "Mijn expertise in levenscyclusanalyse brengt een nieuw perspectief voor deze industrieën en een manier om de milieu- en gezondheidseffecten van alternatieve benaderingen voor het gebruik van deze twee afvalwaters te kwantificeren."

Dr. Gilbertson en haar groep richtten zich op een regio met vijf provincies in het zuidwesten van Pennsylvania die werd getroffen door zowel AMD als hydrofracturering - Allegheny, Fayette, Groen, Washington, en de provincies Westmoreland. Het onderzoek richtte zich op drie kritische, wederzijdse aspecten van sanering - co-behandeling van geproduceerd water en AMD, transport van water van en naar mijn- en boorlocaties, en het vermijden van AMD-ontlading naar het milieu. De LCA van Dr. Gilbertson ontdekte dat het gelijktijdig behandelen van AMD en geproduceerd water gunstig is omdat, terwijl de chemische samenstelling van elke vloeistof van plaats tot plaats varieert, de twee bijproducten delen tegengestelde hoeveelheden barium en sulfaten die, wanneer gecombineerd, kan worden verwijderd via neerslag. De resulterende vloeistof kan vervolgens worden gebruikt om zoet water te vervangen bij toekomstige fracking-operaties, terwijl de bariet die door dit proces wordt geproduceerd, kan worden gebruikt bij booroperaties.

Dr. Gilbertson merkte op dat dit resultaat belangrijk is omdat het waarde creëert van twee belangrijke afvalproducten en de milieueffecten van AMD uitsluit. "Terwijl het gecombineerde geproduceerde watervolume van fracken 4 is, 450 kubieke meter per dag, er is maar liefst 281, 000 kubieke meter verweesde AMD wordt dagelijks geproduceerd in de regio. Het verminderen van de twee door middel van gezamenlijke behandeling zou resulteren in een verminderd zoetwatergebruik en een netto milieuvoordeel worden."

Maar zelfs met de mogelijke positieve impact van co-behandeling, het transporteren van de vloeistoffen tussen mijnbouw- en boorlocaties kan een aanzienlijke, negatieve afweging. Het zal een balans zijn tussen de voorgestelde en de huidige omgang met geproduceerd water, die hij vaak grote afstanden voor behandeling vervoerde, of buiten de staat voor verwijdering via grote vrachtwagens die enkele honderdduizenden mijlen per jaar kappen.

Om deze significante effecten te minimaliseren, waaronder niet alleen het brandstofverbruik, maar ook de slijtage van de weg en de uitlaatgassen van vrachtwagens, Dr. Khanna en zijn Ph.D. student, Sakineh Tavakoli, een model ontwikkeld om de optimale locaties voor co-behandelingslocaties tussen AMD en gasbronnen in de regio van vijf provincies te identificeren. Hoewel de kosten van geoptimaliseerde co-behandeling hoger kunnen zijn dan het gebruik van zoetwater, de milieuvoordelen kunnen aanzienlijk zijn. Een andere mogelijke optie die momenteel wordt getest door Drs. Vidic en Khanna is een mobiel membraandestillatiesysteem dat zou worden aangedreven door afvalwarmte die tijdens het boren wordt gegenereerd om het geproduceerde water ter plaatse te behandelen.

En hoewel het optimalisatiemodel is ontwikkeld met behulp van mijnbouw- en gasbronnen in de regio met vijf provincies, de onderzoekers merken op dat deze aanpak kan worden toegepast op andere gebieden in Pennsylvania, en in de hele VS met behulp van vergelijkbare gegevens. Mevrouw Wang voegde eraan toe dat het nieuwe aan dit onderzoek is dat de groep probeerde de voordelen te kwantificeren van het niet vrijgeven van AMD in ecosystemen en het milieu.

"Dit zijn "credits" voor het systeem waar je niet per se aan zou denken. Bijvoorbeeld, door AMD als frackvloeistof te gebruiken, we verminderen de hoeveelheid zoet water die zou worden verspild aanzienlijk. evenzo, door transportroutes te optimaliseren en mobiele behandellocaties te ontwikkelen, we verminderen de milieu-impact van langeafstandsvrachtvervoer aanzienlijk, " zei mevrouw Wang. "Het belangrijkste is dat door AMD als bron te gebruiken, we helpen een oud afval uit het milieu te verminderen, wat vervolgens de saneringsinspanningen verbetert. Kortom, het cascade-effect van het gelijktijdig behandelen van deze twee afvalproducten kan een netto voordeel zijn voor Pennsylvania."