據阿貢國家實驗室的一份報告稱，美國油氣井每天至少產生90億升受汙染的水。這還是對隨天然氣或石油從井中迴流的鹽水、壓裂液和其他受汙染水的低估，因為它是基於2007年收集的州政府不完整的資料。
而且這個量只會越來越大：據能源資訊署稱，石油和天然氣生產商每口井至少使用750萬升水來壓裂地下地層並釋放被困的碳氫化合物燃料。這種做法在美國的增長速度在過去五年中每年至少達到48%。增長最快的地方是北達科他州的含油巴肯地層或紐約州、賓夕法尼亞州、俄亥俄州和西弗吉尼亞州部分地區的天然氣豐富的馬塞勒斯頁岩。
問題是，隨著石油或天然氣流回地面的大量水混合了從天然放射性礦物到專有化學物質等各種物質。除了將汙水傾倒到深井中外，沒有太多具有成本效益的處理方法。但是，隨著某些正在經歷乾旱的州開始限制工業用水，化石燃料公司正在嘗試使用傳統和非傳統的水處理化學方法和技術，以試圖清潔這種汙水——或首先限制其使用。
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回收是不夠的
第一種選擇是以任何可能的方式重複利用廢水。“在可能的範圍內，壓裂液被回收並重複用於未來的壓裂作業，”行業組織美國石油學會的發言人裡德·波特說。“迴流水的回收減少了對淡水的需求，並減少了處理廢水的需求。”
但是，這種水在重複使用之前仍然必須進行清潔，否則它將失去進行地下汙垢工作的能力。簡單地不當傾倒它不是一個選項，因為高濃度的鹽和礦物質會毒害河流、溪流或含水層，或使其土地無法支援幾代人的生命，就像猶他州的鹽灘或羅馬軍隊鹽漬的古代迦太基農田一樣。所採用的清潔技術範圍很廣，從選擇性過濾特定汙染物的高科技膜，到將水煮沸的粗糙方法，將鹽和其他礦物質的鱗片留在鍋爐的壁上。
“我們從水中去除的大部分是鹽和低濃度的有機物”（碳氫化合物和其他汙染性的碳基分子），環境工程師史蒂夫·霍珀解釋說，他是威立雅水務工業業務集團的執行副總裁，該公司正在幫助石油和天然氣公司處理此類“生產”水。“我們在加利福尼亞州有一個例子，在那裡我們處理水直到它非常純淨，我們不得不將礦物質添加回其中才能將其排放。”到目前為止，問題在於成本，儘管霍珀認為威立雅的技術僅將給定井的成本增加了“5%”。
多種多樣的水
為了增加大量水的挑戰，每個油氣井產生的水通常是不同的——具有不同程度的酸度、鹽度或不同型別的汙染物，無論是溶解的碳氫化合物還是從周圍岩石中浸出的重金屬。
傳統的汙水處理廠旨在處理汙水或雨水徑流，無法應對這些種類和水平的汙染物。這就是像威立雅這樣的公司的用武之地，它與石油或天然氣公司合作，承擔水責任。“把你的廢水給我們，我們會把它送到它需要去的地方，”威立雅的首席可持續發展官地質學家埃德·皮內羅辯稱。
在加利福尼亞州，威立雅與能源公司PXP Plains Exploration & Production合作，設計、建造和運營一個日處理45000桶水的水處理設施，該設施採用陶瓷膜和反滲透技術來回收聖路易斯奧比斯波附近阿羅約格蘭德油田產生的水。（一桶水或油是159升，或42加侖。）大部分淨化後的水將轉化為蒸汽，以從地下洗刷出更多的石油，其餘的水將足夠清潔以排放到當地水道中。“我們有技術來滿足這些要求，”威立雅的霍珀說。
這些技術包括膜、過濾，甚至選擇性離子沉澱，在其中新增特定的化學物質以使特定的汙染物（如重金屬）沉澱或從水中析出。在某些情況下，威立雅會連續採用一套技術——鼓出氣體；化學還原酸度；過濾；並採用壓力和膜來提取鹽和其他汙染物——以處理各種受汙染的水，例如從油氣井中產生的水。
但是，可能會出現併發症：例如，膜通常無法承受這些受汙染水造成的惡劣條件。高酸度或鹼度，甚至僅僅是高鹽度水平，都可能迅速汙染膜或使其失效。煮沸每桶水的成本可能高達8.50美元，並且殘渣會迅速磨損甚至工業鍋爐。因此，科學家們正在研究新的替代方案。
一種選擇是首先減少用水量：所謂的不用水壓裂。公司GASFRAC Energy Services提供的一種技術採用高壓丙烷（另一種碳氫化合物）作為凝膠代替水來壓裂井。然後，丙烷與迴流到地面的石油或天然氣混合，並可用作燃料，從而避免了在使用水時從岩石中浸出的任何汙染。包括雪佛龍和殼牌在內的多家公司正在測試該工藝。
另一種替代方案是使用發明者所謂的“定向溶劑”——分子結合水而不是水中其他汙染物的液體。例如，豆油會透過加熱與其結合來吸收純淨水，從而留下任何汙染物。然後，可以透過簡單地冷卻溶劑來從溶劑中回收水，從而使水像冷卻的空氣一樣以雨的形式釋放水蒸氣。“這是第一種水處理的分子方法，”麻省理工學院研究新解決方案的博士生工程師阿努拉格·巴傑帕伊解釋說。訣竅“是找到一種可以溶解水、不會溶解其他汙染物且不會自身溶解在水中的溶劑。這很罕見。”
當然，豆油不是最終的解決方案，因為需要太多的油才能回收哪怕一點點的乾淨水。但是麻省理工學院的團隊正在研究新的替代方案，並尋找具有相同特性的新溶劑。與此同時，巴傑帕伊和他的同事正在對他們已經發現的來自六個不同井的生產水進行溶劑測試，包括比海水鹹八倍的鹽水。“還處於早期階段，我們還沒有在現場，”巴傑帕伊在談到水處理的新選擇時說，這種選擇可能在幾年內都無法商業化。“這仍然是實驗室裡的工作。”
傾倒廢水
最終，最常見的解決方案仍然是將受汙染的水注入到處置井中，該處置井的深度超過任何飲用水資源。在油氣作業中使用的或產生的水中，有90%以上以這種方式在全國15萬多口此類井中處理。為了應對不斷增加的壓裂水，正在鑽探越來越多的新處置井。
但是，這種注入的水永遠丟失了。賓夕法尼亞州等一些州也使鑽探此類井變得困難，這意味著在那裡的馬塞勒斯頁岩進行壓裂的運營商必須支付卡車將生產的水運到俄亥俄州進行處置的費用。這可能花費高達每桶15美元，“遲早俄亥俄州會對此感到有些恐慌，”巴傑帕伊指出。此外，鑽探每口新的處置井的成本至少為500萬美元。
在像德克薩斯州這樣正在遭受長期乾旱的州，壓裂新井所需的數百萬升水變得越來越成問題。賓夕法尼亞州今年春天因乾旱暫停了該州部分地區壓裂的用水。正如威立雅的霍珀所言，“隨著我們看到的水資源短缺趨勢，趨勢將是減少水的淨使用量。”畢竟，減少能源供應對水的依賴——無論是鑽探石油和天然氣還是發電——對於確保有足夠的能源和水供應至關重要。