L'évaluation du cycle de vie d'un processus pilote de co-traitement de l'eau produite et du drainage minier abandonné identifie la consommation d'électricité comme la contribution dominante aux impacts environnementaux et sur la santé humaine du processus. Une extension des limites du système pour inclure le transport démontre son impact significatif et un modèle d'optimisation du système a été utilisé pour identifier comment le transport peut être minimisé pour une région du sud-ouest de la Pennsylvanie, fournir des informations sur la mise en œuvre future de cette approche de co-traitement. Crédit :Leanne Gilbertson. Réimprimé avec la permission de Sciences et technologies de l'environnement , 2018 Société chimique américaine.
L'histoire énergétique de la Pennsylvanie est riche des quantités de combustibles fossiles qu'elle a produites, mais est également en proie à l'héritage environnemental de l'extraction du charbon et, plus récemment, hydrofracturation. L'eau qui se retrouve dans les mines de charbon abandonnées disséminées dans tout le Commonwealth refait surface sous forme de drainage minier acide (AMD), tandis que l'eau douce utilisée pour fracturer ou « fracasser » les gisements de pétrole et de gaz naturel réapparaît en tant qu'eau « produite » contaminée par des sels, métaux, et matières radioactives.
L'assainissement à la fois du DMA et de l'eau produite est un processus coûteux et la loi fédérale interdit l'élimination de l'eau produite dans les usines municipales de traitement des eaux. Cependant, recherche de la Swanson School of Engineering de l'Université de Pittsburgh, publié récemment dans Sciences et technologies de l'environnement , ont constaté que le co-traitement des deux fluides peut non seulement résoudre deux problèmes environnementaux à la fois, mais aussi réduire l'impact environnemental des deux déchets hérités.
Léanne Gilbertson, professeur assistant en génie civil et environnemental, est le chercheur principal de la recherche, "Impact sur le cycle de vie et compromis sur les avantages d'un processus de co-traitement de l'eau produite et du drainage minier abandonné" (DOI:10.1021/acs.est.8b03773). L'article, rédigé par l'étudiant diplômé Yan Wang, intègre des recherches connexes menées par ses collègues de l'école Swanson, Radisav Vidic, le professeur William Kepler Whiteford et directeur du département de génie civil et environnemental, et le professeur agrégé Vikas Khanna.
"Cette étude est le résultat fortuit de trois chercheurs différents trouvant un thème commun pour unir la collaboration. Le groupe de Radisav a développé la méthode de co-traitement de la DMLA et de l'eau de production et il est un chercheur de premier plan dans le domaine du traitement de l'eau de production par distillation membranaire, tandis que le groupe de Vikas se concentre sur l'analyse de systèmes complexes, " a expliqué le Dr Gilbertson. " Mon expertise en évaluation du cycle de vie apporte une nouvelle perspective à ces industries et un moyen de quantifier les compromis sur l'impact sur l'environnement et la santé humaine des approches alternatives à l'utilisation de ces deux eaux usées. "
Carte de la Pennsylvanie comprenant les volumes relatifs de production d'eau produite par comté sur la base des données de production de 2014 (indiquées par le dégradé de couleurs, m3/jour) ainsi que la localisation et le débit (m3/jour) des sites AMD. Crédit :Leanne Gilbertson. Réimprimé avec la permission de Sciences et technologies de l'environnement , 2018 Société chimique américaine.
Le Dr Gilbertson et son groupe se sont concentrés sur une région de cinq comtés du sud-ouest de la Pennsylvanie touchée à la fois par la DMLA et l'hydrofracturation - Allegheny, Fayette, Greene, Washington, et les comtés de Westmoreland. La recherche a ciblé trois points critiques, aspects mutuels de la remédiation - co-traitement de l'eau de production et de la DMA, le transport de l'eau vers et depuis les sites miniers et de forage, et éviter les rejets de DMA dans l'environnement. L'ACV du Dr Gilbertson a révélé que le co-traitement de la DMLA et de l'eau produite est bénéfique car, tandis que la composition chimique de chaque fluide varie d'un site à l'autre, les deux sous-produits partagent des quantités opposées de baryum et de sulfates qui, lorsqu'ils sont combinés, peut être éliminé par précipitation. Le fluide résultant peut ensuite être utilisé pour remplacer l'eau douce dans les futures opérations de fracturation tandis que la barytine produite par ce procédé peut être utilisée dans les opérations de forage.
Le Dr Gilbertson a noté que ce résultat est important car il crée de la valeur pour deux déchets importants et exclut les impacts environnementaux d'AMD. "Alors que le volume d'eau produit combiné de la fracturation est de 4, 450 mètres cubes par jour, il y a un stupéfiant 281, 000 mètres cubes de DMA orphelins produits quotidiennement dans la région. Atténuer les deux via un co-traitement entraînerait une réduction de l'utilisation d'eau douce et deviendrait un avantage environnemental net. »
Mais même avec l'impact positif potentiel du co-traitement, le transport des fluides entre les sites d'extraction et de forage pourrait créer un compromis négatif. Il s'agira d'un équilibre entre la gestion proposée et actuelle de l'eau produite, qu'il a souvent transporté sur des distances importantes pour se faire soigner, ou hors de l'état pour élimination via de gros camions parcourant plusieurs centaines de milliers de kilomètres par an.
La distance totale parcourue pour chaque scénario d'optimisation, y compris un seul emplacement de co-traitement jusqu'à cinq sites de co-traitement. Les emplacements optimaux des sites de co-traitement sont indiqués par des triangles jaunes et ont été déterminés en regroupant les cinq comtés (emplacement unique) ou quatre, Trois, deux, et un comté, respectivement, situé dans le sud-ouest de la Pennsylvanie. Pour le cas de deux sites de co-traitement, Allegheny, Washington, et les comtés de Greene sont combinés en une seule région et Fayette et Westmoreland en tant qu'autre région, car ce regroupement entraîne une distance de transport totale minimale par rapport aux autres combinaisons de deux régions. Pour le cas de trois stations de co-traitement, Les comtés de Washington et d'Allegheny sont regroupés en une seule région, Fayette et Greene sont combinées en tant que deuxième région, et le comté de Westmoreland représente la troisième région. Pour le cas de quatre sites de co-traitement, Washington et Allegheny sont regroupés en une seule région tandis que Westmoreland, Fayette, et les comtés de Greene représentent les trois autres régions. Crédit :Leanne Gilbertson. Réimprimé avec la permission de Environmental Science &Technology, 2018 Société chimique américaine.
Afin de minimiser ces impacts importants, qui comprennent non seulement la consommation de carburant, mais aussi l'usure de la route et les gaz d'échappement des camions, Dr Khanna et son doctorat étudiant, Sakineh Tavakoli, développé un modèle pour identifier les emplacements optimaux pour les sites de co-traitement entre AMD et les puits de gaz dans la région des cinq comtés. Bien que les coûts associés au co-traitement optimisé puissent être plus élevés que l'utilisation d'eau douce, les avantages environnementaux pourraient être importants. Une autre option potentielle actuellement pilotée par les Drs. Vidic and Khanna est un système de distillation à membrane mobile qui serait alimenté par la chaleur résiduelle générée lors du forage pour traiter l'eau produite sur place.
Et bien que le modèle d'optimisation ait été développé à l'aide de sites miniers et de puits de gaz dans la région des cinq comtés, les chercheurs notent que cette approche peut être appliquée à d'autres régions de Pennsylvanie, et partout aux États-Unis en utilisant des données similaires. Mme Wang a ajouté que ce qui est nouveau dans cette recherche, c'est que le groupe a tenté de quantifier les avantages de ne pas libérer d'AMD dans les écosystèmes et l'environnement.
« Ce sont des « crédits » pour le système auxquels vous ne penseriez pas nécessairement. Par exemple, en utilisant AMD comme fluide de fracturation, nous réduisons considérablement la quantité d'eau douce qui serait gaspillée. De la même manière, en optimisant les voies de transport et en développant des sites de traitement mobiles, nous réduisons considérablement l'impact environnemental du camionnage longue distance, " a déclaré Mme Wang. " Plus important encore, en utilisant AMD comme ressource, nous aidons à atténuer les déchets hérités de l'environnement, ce qui améliore ensuite les efforts de remédiation. En bref, l'effet en cascade du co-traitement de ces deux déchets peut être un avantage net pour la Pennsylvanie."
