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土地盐化:石油和天然气废水泄漏对环境的影响

September 22, 2017 聚焦 Comments Off on 土地盐化:石油和天然气废水泄漏对环境的影响

废水释放到环境

当油气开采废水意外或非法释放到环境中时,其对生态造成的影响随即可见。我们对这些含有盐分的废弃物对人体健康的影响知之甚少。
© Avner Vengosh

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2014年7月有5天的时间,因非常规钻井而导致管道泄漏超过100万加仑的废水,漏出的废水流入了霍尔贝特印第安人保留地(Fort Berthold Indian Reservation)上满布温泉和筑有海狸水坝的峡谷中。含盐分的废水泄漏在北达科他州的大地上,形成一道棕色条带,渗入土壤,使沿途的植被枯萎,最后渗入沙卡卡威亚湖熊窝湾(Bear Den Bay on Lake Sakakawea)。这个位于密苏里河的水库,是曼丹人、希多特撒人和阿里卡拉人的饮水水源。

该地区部落首领表示,泄漏的废水并未流至饮用水水厂的入水口。然而,对于该地区的部落成员来说,钻井废水泄漏和溢出可能会给他们带来健康危害。环境健康研究人员对此问题同样关注,并呼吁对油气开采产生的废水进行深入研究。

据估计,美国油气开采产生的废水高达5%会意外或非法流入环境中。这些废水以多种途径流入地表水和地下水,这包括管道或运载废弃物的油罐车的溢出,污水池塘或废水箱泄漏,以及故障井套管迁移。

2009年至2014年期间,在美国11个主要的油气开采州(阿拉斯加、加利福尼亚、科罗拉多、堪萨斯、蒙大拿、新墨西哥、北达科他、俄克拉荷马德克萨斯、犹他和怀俄明州)中,有超过21,000例废水泄漏报告,泄漏的废水量超过1.75亿加仑。仅在北达科他州,自2007年以来,开采者就向该州报告了近4,000例废水泄漏事件。

研究人员开始对这些废水泄漏对人类健康和环境的潜在危害进行评估。美国地质调查局(U.S. Geological Survey, USGS)的水文学家Isabelle Cozzarelli表示,“我们对这些排放物对环境的累积影响知之甚少。”

废水的特质

常规井(在高渗透性岩层钻井)和非常规井(采用水力压裂法开采石油和天然气)可产生大量废水。在过去十年间,水力压裂法在北达科他州、俄亥俄州和宾夕法尼亚州频繁使用,导致了这些州的废水总量大幅增加。在水力压裂盛行的头几年,北达科他州的贝肯页岩钻井产生的废水量增加了1倍以上,从2008年的110万加仑增至2012年的290万加仑以上。

采用水力压裂法钻井消耗大量的水。页岩单井需200~800万加仑水,具体用量取决于其特定的开采方式或地层的地质特征。体积庞大的压裂液经高压注入地下。这些液体主要由水、沙子或其他固体颗粒组成。压裂液注入的冲力在低渗透岩层形成断逢和裂纹,使地下的石油和天然气溢出,并用支撑剂将裂缝打开。

约1~2%的压裂液含有特殊的化学混合物,它们在压裂过程中起重要作用,如增加流体粘度,抑制混合物细菌生长以避免井道污染。这些化学物质包括已知的或可疑的内分泌干扰物、致癌物和其他毒物。每一口井中的化学混合物种类不同,一口井的废水中通常只含有1,000多种已知压裂液化学物中的一小部分。大部分注入的混合物在井中压力释放后的前2周内可再次出现。这种所谓的返流更像是压裂液混合物。

民房远处的钻井台

大多数人群研究都关注居民住址与钻井台的距离,以此作为钻井相关化学物暴露水平的替代指标。但是这样的研究不能明确何种污染物或因素可能产生关联,也无法判断观察到的健康问题是否与油气开采相关。
© Elise Elliott

用于油气开采的酸化技术也应用了类似的化学混合物,但是其浓度较高,约为6~18%。酸化技术相对不常见,但是近来在缺水的干旱地区(如加利福尼亚州),这项技术大受欢迎。

废水的另一个组成部分被称为采出水,它在岩层中自然生成,并在常规和非常规钻井的过程中释出。采出水在井的整个生命周期中伴随石油和天然气持续产生。而在压裂钻取的井中,采出水涌至地面的的过程中将携带压裂液中的化学物质。采出水是石油和天然气工业中产生的单一废弃产物最多的代表,每天可产生约为23亿加仑的采出水。

地图标处美国11个主要的油气开采州

在2009年至2014年间,美国11个主要的油气开采州(阿拉斯加州,加利福尼亚州,科罗拉多州,堪萨斯州,蒙大纳州,新墨西哥州,北达科他州,俄克拉何马州、德克萨斯州、犹他州和怀俄明州,图中以橙色显示)报告了21,000多例泄漏事故,泄漏的废水超过1.75亿加仑。
© Map Resources, EHP

采出水中的化学成分可随时间而改变,没有化学成分完全相同的采出水。采出水还可能含有少量压裂液中的化学物质。它通常还含有多种岩层中天然存在的有毒物质,其中可能包含放射性同位素、有机化合物(如苯)、离子(如溴化物、钙和氯化物)以及金属(如镉、铅和汞)。这些天然成分引发了人们对采出水安全处理的关注。耶鲁大学的暴露评估专家Nicole Deziel表示,“井中流出的采出水比用于压裂钻井的水危害更大。”

氯化钠是采出水的主要成分,常被称为卤水。不同地质层之间,甚至是同一地层钻取的不同井之间的盐分含量差异较大。它们的盐度范围在饮用水水平到高于海水几倍的水平之间。

大部分地区还未开发出处理及回收压裂废水的经济可行的方法。美国环境保护署(EPA)于2016年6月制定了有关规定,禁止非常规油气开采者向城市污水处理厂运送废水。这就是为什么几乎所有的压裂废水都被弃置注入井中。这些井通常在多孔的地质层钻取,如砂岩或石灰岩。他们的钻取深度可能不同,其界定的特征为钻井的岩层与饮用水水源分隔开。全美有180,000多个接收油气废物的注入井。

但是,盐度较低的水可能会用于农田灌溉或牲畜饮水,有些地方的卤水也具有经济价值。例如,一家公司在俄克拉荷马州、德克萨斯州、肯塔基州和蒙大拿州采用特有的技术从压裂废水中回收碘。然而,全美大多压裂废水被弃置于注入井中。(尽管与本文主题无关,然而这些注入井本身存在隐患,USGS称深层注入废水与美国中部的地震活动频率增加有关。)

暴露、毒性和风险评估

Deziel表示,“非常规油气开采的健康风险评估的最大挑战之一,可能是缺乏一份完整的、有优先级排序的化学物清单。我们不知道哪些污染物的暴露可能性最大或健康危害最大。

2011年,EPA开展了一项研究,目的是更好地了解水力压裂对饮用水水源的潜在影响。2015年6月,EPA发表了该研究的最终报告草案,其中包含与水力压裂相关的1173种化学物质。EPA采用政府及政府间的毒性评估结果来支持这些化学物今后的风险评估,并在可公开获取的草案数据库中编制了它们致癌和非致癌效应的毒性值。

科学家在现场采样。

上图:美国地质调查局的科学家收集2015年北达科他州黑尾溪泄漏事故现场附近的沉积物样品。样品于可能浸入卤水的深度处收集,然后运送到USGS实验室,以评估溢出物是否使沉积物和微生物群落发生改变。
© Adam Benthem/USGS

研究者发现,EPA对所列举的化学物质的口服毒性数据有明显缺口。最新分析显示,清单中应用于压裂液的1076种化学物质中仅有8%、返流和采出水中134种化学物中仅有62%具有足够的数据以计算慢性口服毒性。这些数值用于评估化学物质人体每日摄入而无明显健康风险的限值。

现已证明,钻井相关的废水溢出和泄露可增加当地供水中的甲烷及其它水力压裂相关的污染物的浓度,还可增加饮用水中的金属、盐、放射性同位素以及排放下游中的总溶解固体的浓度。然而,Deziel称,这些研究不一定测定了那些可能在较低浓度即产生较大危害的化学物质。“我们需要进一步的暴露研究来测量这些化合物。关于那些较低毒性的化合物(如甲烷)是否是其他更复杂的压裂相关化合物的标志物,我们对此还没有足够的数据来了解,”她说道。

然而,越来越多的流行病学研究报道了接近钻井作业场所与不利结局发生的关联,如精液质量下降、流产风险增加、出生缺陷、早产、低出生率及前列腺癌。大多数有关人群的研究关注住址到钻井作业

科学家在现场采样

下图:污水造成的影响并不局限于泄漏处或泄漏周围的区域。美国地质调查局的采样人员通过钻冰采集水样、检测水质,并收集了黑尾溪泄漏处下游的样品。
©Adam Benthem/USGS

场所的距离,以此作为钻井相关化学物质暴露水平的替代指标。但是这些研究仅仅是起点,因为它们未能深入研究何种污染物或因素可能导致这一关联。它们也未能排除那些与油气开采无关的混杂因素导致这一关联的可能性。

Deziel指出,下一步计划是采集钻井作业现场附近的居民的血液和尿液,探讨这些生物样本中的化学物质是否同样存在于居住地的空气和水样中。为了进行些评估,科学家们需要知道他们要寻找什么。

Deziel及其同事设计了一种筛检方法,以测定压裂液或废水中的1,000多种化学物质,并按照其对人体潜在的健康危害进行优先级排序。他们依据已知的或可疑的生殖发育毒性列出一份包含67种化学物质的优先级清单。一些化学物质被选中,其中包括砷、钙、铅、汞、多环芳烃、苯、甲苯和邻苯二甲酸二丁酯。这份清单有助于其他研究人员了解在今后的研究中应重点关注哪些污染物。

追踪环境中的污染

一名不愿透露姓名的工厂代表称,在巴肯页岩,大部分的废水通过管道排入了距钻井台10英里内的注入井中。在钻井作业与人类发展并重的部分地区,如马塞卢斯地区,废水必须运到较远的地方再处理掉。比如,在宾夕法尼亚州,钻井作业产生的废水量已超过当地注入井的容纳能力,因而这些废水可能被运送到俄亥俄州或西弗吉尼亚州。

大多数的钻井废水被运往到钻井作业现场之外,因而评估水力压裂相关的水质和健康影响时,不仅要调查钻井现场附近的井眼,还要追踪废水的流向。Susan Nagel是密苏里大学的生殖健康科学家。在她有关水力压裂使用的化学物质对内分泌干扰的潜在影响的研究中,Nagel着眼于发生废水泄漏发生的位置。她表示,“我们认为,在那些样品中,我们关注的化学物质的浓度会更高。”

存放废水的水箱。

上图:大多数的钻井废水被运输到现场之外,如德克萨斯北部商用处理井。这些井眼在疏松多孔的地层钻取,与饮用水水源隔离。在注入地下之前,这些废水储存在水箱里。
© John Veil/Veil Environmental, LLC

废水处理器。

下图:有些废水处理后可以再利用。在德克萨斯州北部的巴奈特页岩区的这处设备,返流水经过处理,可再利用为新的压裂液。一个倾斜的盘状分离器去除返流水中的固体。
© John Veil/Veil Environmental, LLC

Nagel及其同事收集了科罗拉多州加菲尔德县(Garfield County)中钻井密集地区的地表水和地下水水样,这些地方在2个月到6年之前发生了废水泄漏。与附近钻井作业较少的对照地区采集的水样相比,以井眼较多且曾有发生废水泄漏的地区的水样处理人来源的细胞株后,细胞具有更高水平的雌激素、抗雌激素、雄激素、抗雄激素。因大多数地区钻井前未进行环境基线调查,因而在这些地区及其他地区,将水质差别与油气开采相联系起来是不可能的。

Nagel称,即使没有明显的溢出或事故,地下废水注入也可能对环境造成影响。在随后的研究中,她和同事以及USGS的地质微生物学家Denise Akob采集了注入井附近,以及其上、下游的地表水样。在对哺乳动物及酵母细胞的测定中,样品表现出的内分泌活性高于已知的可对水生生物造成有害健康效应的水平。研究人员报道,水样的化学组分与压裂废水一致。

其他研究还模拟水力压裂废水化合物的混合暴露,并测定其对孕鼠的影响。动物饮用4种不同浓度混合物中的1种,其中浓度最低的2种与钻井现场附近的饮用水中的报告浓度相当。所有暴露浓度下的仔鼠均受到生殖影响。雄性仔鼠出现激素紊乱的症状,包精子数减少、睾丸重量增加、血液睾酮水平升高,雌性仔鼠表现为催乳素、促卵泡激素及促黄体激素水平降低。

生态学影响

尽管一些研究人员正在研究非常规油气开采活动及采出水相关的健康影响,而另一些研究人员提出了有关生态影响的问题。

最近,Akob和USGS的其他研究人员将与采出水相关的关键生物学改变进行量化,采出水的地点与Nagel团队发现内分泌活性信号改变的地点相同,都在位于西弗吉尼亚州的开采处。他们发现废水处理设备下游采集的沉积物中富含放射性镭同位素,且其所含有的微生物群落种类比上游少。Akob指出,“微生物是食物链的基础,因而它们是生态学发生变化的重要指示物。”

该研究是USGS项目的一部分,其目的是对所有能源产生的废水对生态系统的影响进行表征,而非仅研究水力压裂。USGS的水文学家Cozzarelli表示,“我们正在试图了解这些排放的废水对环境造成的长期影响,并致力于开发一套工具,能够让其他人对不同地点的环境影响进行分析。”

位于北达科他州东北部的罗斯特伍德野生动物保护区(Lostwood National Wildlife Refuge )的管理人员Kory Richardson表示,大多数公司对于清理这些报道的废水泄漏都非常积极。然而Richardson和其他土地管理者对生态系统的累积影响表示担忧。他指出,“没有人监测废水溢出,只有当有人发现废水泄漏时才会上报。”

USGS位于北达科他州的北方草原野生动物研究中心(Northern Prairie Wildlife Research Center)的研究人员正试图更好地了解如何追踪全州范围的溢出污染物。那里石油丰富,与生态敏感区——大草原坑穴区重叠,该区是大草原和浅水湿地的混合区。

关于油气开采的一个重要问题是,其产生的富含氯化物的废水可排放至湿地生态系统中。过多的盐分会损害土壤健康。与钻井废水泄漏相关的高盐度会使大多植被枯萎,并堵塞粘土之间的小孔,降低土壤的渗透性,使新生植物无法扎根。塔尔萨大学(University of Tulsa)的化学工程师Kerry Sublette指出,“这会形成盐水层,表面看起来像棕色的沥青。”

USGS的生态学家Max Post van der Burg表示,“你可以在北达科他州的数据库查找这些泄漏事件的发生地点及其应对策略,而我们想知道的是它对地形的整体影响。”Post van der Burg及其同事测试了一种景观尺度建模方法,来检测湿地和油气开发模式中的潜在氯污染。他们发现湿地高氯浓度与附近注水井数量增加相关,尽管在人群研究中,他们不能确切地说废水溢出和泄露的污染导致了氯化物水平改变。

泄漏修复

卤水溢出修复在过去主要侧重于修复土壤表面,修复过量盐分(主要是氯化钠)的影响。据Sublette介绍,这可能涉及将盐从土壤中去除,并与钙添加剂产生的粘土分散作用相抵消,或者去除和更换污染的土壤。

然而挖土场的土壤可能受到生态破坏,冲洗土壤可能会使卤水污染深入到地下水。北达科他州的一个泄漏现场,修复专家正在试行一种新的原位技术,这项技术可从地面提取并除去盐分,而不必去除土壤本身。他们正在使用一种被称为电迁移的电动程序来分离现场的盐分子。这个过程涉及在湿地下方建立一个10英尺深的电场,并埋设24个六角形的电极束,以便通过土壤运行低压电流。

氯离子和钠离子携带相反的电荷而反向迁移。该项目的咨询公司、Terran公司的环境科学家Chris Athmer指出,“电力将离子水平地拉入收集井,而非让它们垂直迁移到地下水中。”

Athmer称,根据场地大小和其他因素,最小的场地完成这一电动修复过程可能需18个月。他认为,对于环境敏感地区(如湿地或地下水源保护区),电动修复可能是传统修复技术的好选择。

这是美国第一次使用电动修复技术清理卤水泄漏现场。Athmer称,该修复过程效仿了一种类似的电渗技术,这项技术已在肯塔基州、俄亥俄州和威斯康辛州成功应用,以清洁受工业溶剂如三氯乙烯污染的土壤。

Athmer称,卤水的高盐度会对土壤微生物群落产生重大影响。Athmer指出,尽管距电极几厘米范围内的土壤发生pH和温度变化,但是电动技术引发的土壤pH和温度的改变也可能影响土壤微生物。他表示,这些改变只有在修复过程中出现,一旦钠离子和氯离子从土壤中去除,这种改变就会逆转。Athma表示,“微生物群落通常在任何适宜生长的条件下都能大量繁殖。一旦接近到背景水平,以及泄漏现场的土壤状况得以恢复,我们预计微生物种群也将恢复正常。”

虽然Athmer未对这项进行中的试点项目是否成功进行评论,但他表示,该项目正在如预期进展。他称,“它正在消除,并将持续消除大量的污染物。”如果进展顺利,该项目将有助于改善卤水溢出修复的行业操作规范。

印第安纳州鲍尔州立大学(Ball State University)的土壤专家John Pichtel表示,“当然,最好的解决方案是做好预防工作,但是操作起来远比说要难得多。”

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Lindsey Konkel, 是一名来自新泽西州的科学领域的自由撰稿人。2016年6月,她在Institute for Journalism & Natural Resources的资助下,前往北达科他州的大草原坑穴地区。在那里,她参观了卤水泄漏清理现场,并采访了曼丹、希达萨和阿里卡的部落成员。

译自EHP 124(12):A230-A235 (2016)

翻译:杨 迪

*本文参考文献请浏览英文原文

原文链接

http://dx.doi.org/10.1289/ehp.124-A230