据阿贡国家实验室的一份报告称，美国油气井每天至少产生90亿升受污染的水。这还是对随天然气或石油从井中回流的盐水、压裂液和其他受污染水的低估，因为它是基于2007年收集的州政府不完整的数据。
而且这个量只会越来越大：据能源信息署称，石油和天然气生产商每口井至少使用750万升水来压裂地下地层并释放被困的碳氢化合物燃料。这种做法在美国的增长速度在过去五年中每年至少达到48%。增长最快的地方是北达科他州的含油巴肯地层或纽约州、宾夕法尼亚州、俄亥俄州和西弗吉尼亚州部分地区的天然气丰富的马塞勒斯页岩。
问题是，随着石油或天然气流回地面的大量水混合了从天然放射性矿物到专有化学物质等各种物质。除了将污水倾倒到深井中外，没有太多具有成本效益的处理方法。但是，随着某些正在经历干旱的州开始限制工业用水，化石燃料公司正在尝试使用传统和非传统的水处理化学方法和技术，以试图清洁这种污水——或首先限制其使用。
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回收是不够的
第一种选择是以任何可能的方式重复利用废水。“在可能的范围内，压裂液被回收并重复用于未来的压裂作业，”行业组织美国石油学会的发言人里德·波特说。“回流水的回收减少了对淡水的需求，并减少了处理废水的需求。”
但是，这种水在重复使用之前仍然必须进行清洁，否则它将失去进行地下污垢工作的能力。简单地不当倾倒它不是一个选项，因为高浓度的盐和矿物质会毒害河流、溪流或含水层，或使其土地无法支持几代人的生命，就像犹他州的盐滩或罗马军队盐渍的古代迦太基农田一样。所采用的清洁技术范围很广，从选择性过滤特定污染物的高科技膜，到将水煮沸的粗糙方法，将盐和其他矿物质的鳞片留在锅炉的壁上。
“我们从水中去除的大部分是盐和低浓度的有机物”（碳氢化合物和其他污染性的碳基分子），环境工程师史蒂夫·霍珀解释说，他是威立雅水务工业业务集团的执行副总裁，该公司正在帮助石油和天然气公司处理此类“生产”水。“我们在加利福尼亚州有一个例子，在那里我们处理水直到它非常纯净，我们不得不将矿物质添加回其中才能将其排放。”到目前为止，问题在于成本，尽管霍珀认为威立雅的技术仅将给定井的成本增加了“5%”。
多种多样的水
为了增加大量水的挑战，每个油气井产生的水通常是不同的——具有不同程度的酸度、盐度或不同类型的污染物，无论是溶解的碳氢化合物还是从周围岩石中浸出的重金属。
传统的污水处理厂旨在处理污水或雨水径流，无法应对这些种类和水平的污染物。这就是像威立雅这样的公司的用武之地，它与石油或天然气公司合作，承担水责任。“把你的废水给我们，我们会把它送到它需要去的地方，”威立雅的首席可持续发展官地质学家埃德·皮内罗辩称。
在加利福尼亚州，威立雅与能源公司PXP Plains Exploration & Production合作，设计、建造和运营一个日处理45000桶水的水处理设施，该设施采用陶瓷膜和反渗透技术来回收圣路易斯奥比斯波附近阿罗约格兰德油田产生的水。（一桶水或油是159升，或42加仑。）大部分净化后的水将转化为蒸汽，以从地下洗刷出更多的石油，其余的水将足够清洁以排放到当地水道中。“我们有技术来满足这些要求，”威立雅的霍珀说。
这些技术包括膜、过滤，甚至选择性离子沉淀，在其中添加特定的化学物质以使特定的污染物（如重金属）沉淀或从水中析出。在某些情况下，威立雅会连续采用一套技术——鼓出气体；化学还原酸度；过滤；并采用压力和膜来提取盐和其他污染物——以处理各种受污染的水，例如从油气井中产生的水。
但是，可能会出现并发症：例如，膜通常无法承受这些受污染水造成的恶劣条件。高酸度或碱度，甚至仅仅是高盐度水平，都可能迅速污染膜或使其失效。煮沸每桶水的成本可能高达8.50美元，并且残渣会迅速磨损甚至工业锅炉。因此，科学家们正在研究新的替代方案。
一种选择是首先减少用水量：所谓的不用水压裂。公司GASFRAC Energy Services提供的一种技术采用高压丙烷（另一种碳氢化合物）作为凝胶代替水来压裂井。然后，丙烷与回流到地面的石油或天然气混合，并可用作燃料，从而避免了在使用水时从岩石中浸出的任何污染。包括雪佛龙和壳牌在内的多家公司正在测试该工艺。
另一种替代方案是使用发明者所谓的“定向溶剂”——分子结合水而不是水中其他污染物的液体。例如，豆油会通过加热与其结合来吸收纯净水，从而留下任何污染物。然后，可以通过简单地冷却溶剂来从溶剂中回收水，从而使水像冷却的空气一样以雨的形式释放水蒸气。“这是第一种水处理的分子方法，”麻省理工学院研究新解决方案的博士生工程师阿努拉格·巴杰帕伊解释说。诀窍“是找到一种可以溶解水、不会溶解其他污染物且不会自身溶解在水中的溶剂。这很罕见。”
当然，豆油不是最终的解决方案，因为需要太多的油才能回收哪怕一点点的干净水。但是麻省理工学院的团队正在研究新的替代方案，并寻找具有相同特性的新溶剂。与此同时，巴杰帕伊和他的同事正在对他们已经发现的来自六个不同井的生产水进行溶剂测试，包括比海水咸八倍的盐水。“还处于早期阶段，我们还没有在现场，”巴杰帕伊在谈到水处理的新选择时说，这种选择可能在几年内都无法商业化。“这仍然是实验室里的工作。”
倾倒废水
最终，最常见的解决方案仍然是将受污染的水注入到处置井中，该处置井的深度超过任何饮用水资源。在油气作业中使用的或产生的水中，有90%以上以这种方式在全国15万多口此类井中处理。为了应对不断增加的压裂水，正在钻探越来越多的新处置井。
但是，这种注入的水永远丢失了。宾夕法尼亚州等一些州也使钻探此类井变得困难，这意味着在那里的马塞勒斯页岩进行压裂的运营商必须支付卡车将生产的水运到俄亥俄州进行处置的费用。这可能花费高达每桶15美元，“迟早俄亥俄州会对此感到有些恐慌，”巴杰帕伊指出。此外，钻探每口新的处置井的成本至少为500万美元。
在像德克萨斯州这样正在遭受长期干旱的州，压裂新井所需的数百万升水变得越来越成问题。宾夕法尼亚州今年春天因干旱暂停了该州部分地区压裂的用水。正如威立雅的霍珀所言，“随着我们看到的水资源短缺趋势，趋势将是减少水的净使用量。”毕竟，减少能源供应对水的依赖——无论是钻探石油和天然气还是发电——对于确保有足够的能源和水供应至关重要。