工業有害廢液地下灌注國內外研究現狀分析

鐘偉，高振記 ，臧雅瓊

1.中國地質大學地球科學與資源學院，北京 100083

2.中國環境科學研究院，北京 100012

隨著工業的發展，工業有害廢液對地質環境和人類生活生產將產生較大危害。如何安全有效地處理處置危險工業廢液一直困擾著環保學者，目前我國工業廢水的處理與處置面臨三大問題:處理技術落后，資金短缺、投資力度不夠及管理水平較低［1］。近年來隨著我國城市化和工業化進程加快，水資源短缺問題凸顯，地質環境污染嚴重制約了我國經濟和社會的發展，尤其是處理難度大，處理成本較高的工業有害廢液的處置已經成為工業廢水處理的一個難題。高技術門檻和高成本費用導致很多企業在技術上達不到國家排放標準要求，目前廢水隨意排放的行為普遍存在。我國地表環境容量有限，在總量控制和區域限批的環境管理前置條件下，對于正處于工業化發展過程的中國來說，迫切需要尋找一種新的工業有害廢液的處置方式。該處置方法即可以滿足現有的環境污染物總量控制要求，且對地表生態環境沒有影響。

地下灌注(underground injection，UI)作為一種工業廢液及溫室氣體處理與處置技術，同其他處理技術相比，深地質處置方法具有開辟新的環境容量，減少污染物處置成本等特點［2］。地下灌注是指通過深井將液體廢物(灌注物)注入到地下多孔巖石或土壤地層的污染物處置技術，利用深層地質環境有效處理液體污染物使其不進入生物圈物質循環，從而達到保護地表生態環境的目的［3-4］。自20 世紀70年代以來，廢液的地下回灌及控制技術已成為日益受到關注的新技術［5-6］。目前，深井灌注技術在發達國家已有近60年的實踐經驗，在美國、俄羅斯等發達國家已成為一種成熟、安全和經濟的廢液處理技術［7］。

我國當前工業廢液的處置大多排放在地表，依賴地表構筑物達到隔絕廢液的目的，一旦發生泄漏或轉移將對水環境和地質環境造成較大影響，目前的工業有害廢棄物的處置方式存在較高環境風險。地下灌注技術利用地質屏障的隔離和封閉作用將廢棄物的處理、處置場所遠離生物圈，從而達到長久安全的環保效果［8］。同時，我國幅員遼闊，地質條件適用于地下灌注的區域及儲層較多，開展地下灌注應用理論及應用研究對于擴展我國環境容量，提高環境質量，為更多工業企業提供發展機會具有重要意義。

1 國外地下灌注技術應用狀況

(1)美國

美國是世界上地下灌注技術第一個得到法律認可并出臺相關法規的國家。美國地下灌注技術始于20 世紀30年代，最初用于油田和天然氣行業［9］。隨著經濟和技術的發展，地下灌注的應用涉及的方面越來越廣，從最初用于油田作業，處理石油開采過程中的油田鹽水和其他廢液，擴展到金屬制造、化學品生產、制藥、農業生產等領域。隨著新型環境問題的不斷出現，深井地下灌注技術也在不斷發展［10］，目前地下灌注已觸及各領域，灌注井分類也細分為六類(表1)。

表1 美國地下灌注井的分類［11］Table 1 Class of injection wells in US

20 世紀50年代以來，美國工業化進程不斷加快，工業廢液排放量急劇增加，已對地表生態環境造成一定影響。1974年，美國國會頒布了《安全飲用水法案》(The Safe Drinking Water Act，SDWA)，該法案的頒布對地下灌注(UI)技術的發展和地下灌注管理體制起到一定的推動作用［12］。由于地下灌注具有開辟新環境容量、不依賴地表構筑物和永久封存等特點，成為美國工業有害廢液的主要處置技術之一，其中Ⅰ類灌注井分為危險廢物處置井、非危險工業廢物處置井、城市污水處置井和高放廢物處置井四種，其數量多、用途廣，是地下灌注井的主要組成部分。

1980年，美國國家環境保護局(US EPA)頒布了《地下灌注控制》法規，該法規要求對包括Ⅰ類灌注井在內的所有類型灌注井加強監管。1988年，US EPA 補充規定了危險廢液灌注區須通過多重論證，使有害廢液永久(10 000年內)不得發生泄露事故［3］。地下深井處置工業廢液技術確保地下飲用水資源不被污染已有超過50年的記錄［13］。截至2007年，美國灌注井的數量已達到80 萬口，每年有超過7 500 億加侖(約28 億t)的廢液被注入地下［14］，為控制地下灌注對地下水環境的影響，美國已制定出一整套完善的法律法規及相關管理條例。

近年來，CO2地下封存技術是地下灌注在應對全球氣候變化中的一項新技術，已經被越來越多的國家所關注。

(2)俄羅斯

俄羅斯工業起步早，開展地下灌注技術也相對較早［15］。早期大多利用地下灌注技術處置核廢料，達到降低放射性廢物對地表水環境污染的目的［16］。1966年以來，隨著俄羅斯聯邦“原子反應堆”項目及國家科學中心在采礦領域的發展，深井地下灌注得到快速發展。1967年，在位于俄羅斯特維爾州北部的加里寧核電站灌注場址，進行了非放射性廢物深地質封存試驗［17］(表2)。近10年來地下儲油、儲氣庫的大量投產，一方面為國家能源提供戰略儲備，另一方面也為百姓生產生活提供便利。

表2 俄羅斯原子能部企業對核廢物及非核廢物深井灌注處置案例［18］Table 2 Deep injection sites for liquid radioactive waste and nonradioactive waste from enterprises of Minatom，Russia

(3)德國

德國高放廢物的地質處置庫選址工作始于20世紀60年代，目前已取得成功［19］。德國北部地區共有200 余個大小不同的鹽丘，是建設放射性廢物處置庫的理想場所，20 世紀60年代在下薩克森州建造了鹽礦Asse 試驗處置庫;70年代在鹽礦中建設了Morse-leben 處置庫，1976年起在康納德廢棄鐵礦開展非發熱廢物的地質儲存研究;1977年Gorleben 鹽礦被選為高放廢物地質處置候選場址，在進行了20 多年調查工作后由于政治原因暫停了該場址選址工作。

自1960年至今，德國已完成高放廢物的場址評價、深部地質環境、工程屏障、處置庫施工及性能評價等，建立了完整的研究設施及地下實驗室。

(4)加拿大

加拿大深地質處置核廢物的選址研究始于1973年，已建成的地下實驗室有White Shell 地下實驗室、Lac du Bonnet 花崗巖地下實驗室等。目前，通過地下實驗室的大量現場試驗及開展綜合地質研究、地球物理、水文地質調查等工作，已完成環境影響評價報告書及地下灌注方法學研究［20］。

除此之外，瑞典、法國、芬蘭、印度、日本、荷蘭、英國、丹麥等國家均對核廢物深地質處置進行了不同程度的工作。隨著地質環境概念的提出以及環保觀念不斷深入人心，地下灌注技術的應用領域也在不斷擴大。

2 我國地下灌注應用現狀及潛力分析

2.1 我國地下灌注開展現狀

我國正處在迅速推進工業化的發展階段，資源消耗和環境污染成為制約我國工業發展的主要因素，伴隨著經濟的高速發展，污染物的排放不斷增加，地表環境容量已很難滿足工業化發展要求［21］。我國地下灌注技術的應用和研究剛剛起步，一些地方開始了自發的地下灌注處置技術實踐應用，但總體上我國地下灌注技術尚未正式全面應用，地下灌注的相關法律、規程、理論體系、技術方法等尚待進一步研究。根據實地調研和文獻資料調研，列舉了國內幾個較早從事地下灌注工業廢液處置的案例。

2.1.1 重慶索特鹽礦廢渣處置

重慶索特鹽化股份有限公司自2004年以來利用地下灌注技術已經成功處置了該公司60 萬t/a 真空制鹽裝置的制鹽廢水廢渣。其灌注裝置包括配渣桶四桶、注渣泵三臺、注渣井七口、DCS 自控系統一套。自工業化投運以來，該套裝置運行穩定，實現了污染物零排放的目標［22］。

2.1.2 大慶油田含氰污水的深井回灌

大慶油田含氰污水回灌項目始于1996年，結合大慶油氣藏特殊的地質構造，將含氰廢水注入油田邊界過渡帶，達到驅油和防止含氰廢水污染地下水的目的［23］。項目的研究對我國其他地區在地質條件適宜的情況下從事工業廢液回灌具有借鑒意義。

2.1.3 東營杜邦項目

2005年，杜邦公司以山東東營市建設鈦白粉生產工業廢液地下灌注項目為依托，通過地質選址、工程技術研究及環境管理研究，提出我國進行工業廢液地下灌注的地質選址方案、灌注方法、步驟、要求與評估規程等，為我國形成嚴格的環境技術管理體系提供技術支持［22］。通過前期調研，項目選址定在山東東營，根據其技術特點和當地地質環境的條件，采用特殊的工業廢液處置技術——深井地下灌注填埋處置生產過程中產生的金屬氯化廢液。

2.1.4 中石油金壇天然氣存儲項目

金壇儲氣庫是我國第一個巖穴儲氣庫，位于江蘇省金壇市。金壇鹽礦具備巖鹽分布穩定、巖層厚度大和頂板強度大等地質條件，加上其優越的地理位置，成為建設儲氣庫的有利地點［24］。截至2011年12月，金壇儲氣庫累計造腔量為294 萬m3，在季節性天然氣需求突增的情況下能夠發揮調峰作用。

2.2 我國開展地下灌注潛力分析

2.2.1 沉積地層

我國沉積盆地眾多，陸相沉積巖分布廣泛，加之我國地震帶分布規律［25］，滿足地下灌注所需的灌注層、緩沖層和隔離層，并且滿足環境影響評價的區域均可作為灌注項目場所。我國適宜地下灌注的沉積地層地質儲層分布廣泛，通過地下灌注方式擴充環境容量的潛力巨大。

2.2.2 枯竭油氣藏

我國石油、煤炭以及鹽礦等非金屬礦井幾乎遍布全國各地，具有較大的地質空間［26］。統計表明，我國礦業城市約400 座，在這些礦業城市中，處于成長期的占19.7%，鼎盛期的占68.3%，衰退期的占12.0%［27］。鼎盛期和衰退期合計達到80.3%，可見今后10 ～15年內將是我國大中型礦井衰退、報廢的集中期，利用廢棄礦井進行地下灌注可以有效處置工業污染物，并降低或消除由于開采導致地層壓力下降引發的次生地質災害。

2.2.3 地下鹽穴

鹽穴一般埋藏于地下數十米至數千米，具有低滲透性、良好的密封性、損傷自愈合性［28］。與其他地質結構相比，鹽穴的密封性能夠有效阻止灌注介質與外界地下水聯系，在地質條件合適的情況下可作為廢棄物處置庫選址的理想場所。

我國鹽礦資源豐富，分布范圍廣，具有大量處置有害工業廢液的潛力。特別是近年來隨著鹽穴利用領域的不斷擴展，如建設儲油庫、儲氣庫、處理鉆井廢液及高危放射性廢棄物等，我國已經初步形成地下鹽穴行業規范，對科學、合理利用鹽穴資源具有重要指導意義。

2.2.4 其他地質體

可略含水層、地下溶洞等在地質條件適合的情況下均可作為危險廢液的儲存場所。

3 地下灌注適用條件

3.1 灌注區選址地質要求

地下灌注的地質選址工作是廢液灌注工程成敗與否的首要條件［29］。首先，灌注區應位于相對封閉的地質空間內，如相對獨立的凹陷或構造盆地，利用天然地質條件阻止廢液大面積擴散;其次需要具有一定空間的灌注層即具有較大孔隙度能夠容納且能注入廢液的地質體;第三，灌注層上、下部應當有連續的滲透性微弱的封蓋層，防止廢液上下串層;第四，要遠離飲用水源，在預期時間內不會再利用或人為擾動灌注層;第五，要確保區域地殼相對穩定，灌注區內斷裂構造不發育［9］。

3.2 灌注層、隔離層、緩沖層地質要求

在選址過程中對灌注地層的要求應滿足同時具備灌注層、隔離層、緩沖層三類地層［4］(圖1)。

圖1 危險廢液灌注井結構Fig.1 Hazardous waste injection well structure schematic diagram

灌注層必須具有一定孔隙度，良好的滲透性能和較大的厚度，具有足夠容納廢液的空間。隔離層的作用是隔離和封閉，隔離層應具備以下特性:滲透性能差，能夠阻止液體廢棄介質在垂向上通過該層進入非灌注層;具有連續性，在灌注區影響范圍內保持其完整性;具有抗壓性，有一定厚度，能夠確保在一定灌注壓力下隔離層不會出現破裂。

緩沖層類似于灌注層，需具有較大孔隙度和較強滲透性能，同時與灌注介質具有較好的相容性［3］。

4 地下灌注引發地質環境問題簡析

地下灌注可能引發的地質環境問題包括對地下水環境的影響，對地表生態環境影響及深部穩定性影響等［30］。

4.1 對地下可飲用水的影響

地下灌注工程對地下水影響主要表現在:勘探和鉆井過程中人為導通上下含水層，造成地下水污染和水量的變化;灌注介質在封井后期緩慢擴散或泄漏對地下水造成污染。

4.2 對地表水及地表生態環境的影響

工業廢液含有的污染物種類多，成分復雜，一旦泄漏到含水層中將難以恢復，不可避免地會對地表水和人類生活造成影響。

4.3 對土壤的影響

在鉆井過程中，鉆井廢水、廢棄泥漿和廢棄鉆井液等含有的CODCr、石油類、重金屬、硫化物、揮發酚、氯化物和堿等主要污染物，將對土壤及地下水評價指標產生影響［31-32］。封井后期灌注介質泄漏也將對土壤產生影響。

4.4 對深部地質穩定性的影響

地下灌注對深部地質穩定性的影響主要表現在地層巖性、地質構造、灌注層巖體力學性質等方面［33］。施工期在鉆孔操作時可能導致小范圍的地震，對區域構造活動產生一定影響;運營期在向地下灌注的過程中對灌注速率和最大灌注量控制不當可能導致灌注層位圍巖體壓力的改變而發生不規則變形，誘發地震或地面塌陷等地質災害。

4.5 對地熱資源的影響

地下灌注將灌注液封存在深部地質環境中，有害廢液隨著時間運移其有害成分(重金屬、砷、汞)進入地熱水中，當某些有害成分超過允許的臨界濃度時會對大氣、水、土壤等造成污染。

5 地下灌注環境問題對策分析

5.1 建立健全我國地下灌注相關法律法規

目前，我國地下灌注技術的應用僅限于石油等少數行業，并未形成系統的評價和管理體系。在施工規范與監管體制的制定上，一方面，在國內沒有專門法律法規的情況下，對地下灌注技術制定行業規范時應首先滿足中國環境保護法中有關法律原則和制度上的一般性規定;另一方面，應針對地下灌注項目的特殊性對深部地質空間進行環境風險分析，確保法律法規的制定切實可行，能充分考慮地下灌注導致的各類新型環境問題。

5.2 加強地下灌注工程環境管理能力

環境影響評價是我國環境保護法律制度中的一項重要制度。與美國等發達國家相比［34］，目前我國還沒有出臺專門針對地下灌注的環境影響評價技術導則，致使我國已經開展了地下灌注工程但缺少適用的環境管理手段。

5.3 加強對深井灌注活動的許可管理

許可制度是我國環境管理領域廣為運用并卓有成效的一項管理制度，許可制度不僅有效地加強了對有關方面的資質管理和市場準入管理，而且也在根本上體現了管理法治化的基本要求。深井灌注技術復雜而且要求高，技術運行的潛在風險大。因此，必須依據我國《行政許可法》的基本規定，并充分考慮深井灌注技術的特點，對深井灌注許可的設定、實施機關、實施程序等問題做出明確的規定［35-36］。及時建立和完善專門的深井灌注許可制度，是將深井灌注活動納入法制化軌道的重要途徑。

6 存在問題和展望

近年來，我國陸續出現利用地質環境處置工業廢物的實踐活動或開展地質儲存技術研究，如利用地下巖穴溶腔儲存工業廢液、天然氣，含氰污水深井回灌以及高放射性廢棄物深地質處置等。然而，現階段我國對地下灌注技術的環境監管十分薄弱，缺乏相應的環境管理法規和控制標準。

隨著地下灌注技術的發展和完善，通過深井將人類生活生產所產生的各種廢液長期封存于深部地質環境中，可能成為未來10 ～20年我國對廢液實行最終處置的選擇之一。因此，隨著地下灌注技術的出現，我國有必要通過完善地質環境保護法律法規、政策和標準，建立相應管理機構，通過加強監管達到保護地質環境的目的。

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