工业有害废液地下灌注国内外研究现状分析

钟伟，高振记 ，臧雅琼

1.中国地质大学地球科学与资源学院，北京 100083

2.中国环境科学研究院，北京 100012

随着工业的发展，工业有害废液对地质环境和人类生活生产将产生较大危害。如何安全有效地处理处置危险工业废液一直困扰着环保学者，目前我国工业废水的处理与处置面临三大问题:处理技术落后，资金短缺、投资力度不够及管理水平较低［1］。近年来随着我国城市化和工业化进程加快，水资源短缺问题凸显，地质环境污染严重制约了我国经济和社会的发展，尤其是处理难度大，处理成本较高的工业有害废液的处置已经成为工业废水处理的一个难题。高技术门槛和高成本费用导致很多企业在技术上达不到国家排放标准要求，目前废水随意排放的行为普遍存在。我国地表环境容量有限，在总量控制和区域限批的环境管理前置条件下，对于正处于工业化发展过程的中国来说，迫切需要寻找一种新的工业有害废液的处置方式。该处置方法即可以满足现有的环境污染物总量控制要求，且对地表生态环境没有影响。

地下灌注(underground injection，UI)作为一种工业废液及温室气体处理与处置技术，同其他处理技术相比，深地质处置方法具有开辟新的环境容量，减少污染物处置成本等特点［2］。地下灌注是指通过深井将液体废物(灌注物)注入到地下多孔岩石或土壤地层的污染物处置技术，利用深层地质环境有效处理液体污染物使其不进入生物圈物质循环，从而达到保护地表生态环境的目的［3-4］。自20 世纪70年代以来，废液的地下回灌及控制技术已成为日益受到关注的新技术［5-6］。目前，深井灌注技术在发达国家已有近60年的实践经验，在美国、俄罗斯等发达国家已成为一种成熟、安全和经济的废液处理技术［7］。

我国当前工业废液的处置大多排放在地表，依赖地表构筑物达到隔绝废液的目的，一旦发生泄漏或转移将对水环境和地质环境造成较大影响，目前的工业有害废弃物的处置方式存在较高环境风险。地下灌注技术利用地质屏障的隔离和封闭作用将废弃物的处理、处置场所远离生物圈，从而达到长久安全的环保效果［8］。同时，我国幅员辽阔，地质条件适用于地下灌注的区域及储层较多，开展地下灌注应用理论及应用研究对于扩展我国环境容量，提高环境质量，为更多工业企业提供发展机会具有重要意义。

1 国外地下灌注技术应用状况

(1)美国

美国是世界上地下灌注技术第一个得到法律认可并出台相关法规的国家。美国地下灌注技术始于20 世纪30年代，最初用于油田和天然气行业［9］。随着经济和技术的发展，地下灌注的应用涉及的方面越来越广，从最初用于油田作业，处理石油开采过程中的油田盐水和其他废液，扩展到金属制造、化学品生产、制药、农业生产等领域。随着新型环境问题的不断出现，深井地下灌注技术也在不断发展［10］，目前地下灌注已触及各领域，灌注井分类也细分为六类(表1)。

表1 美国地下灌注井的分类［11］Table 1 Class of injection wells in US

20 世纪50年代以来，美国工业化进程不断加快，工业废液排放量急剧增加，已对地表生态环境造成一定影响。1974年，美国国会颁布了《安全饮用水法案》(The Safe Drinking Water Act，SDWA)，该法案的颁布对地下灌注(UI)技术的发展和地下灌注管理体制起到一定的推动作用［12］。由于地下灌注具有开辟新环境容量、不依赖地表构筑物和永久封存等特点，成为美国工业有害废液的主要处置技术之一，其中Ⅰ类灌注井分为危险废物处置井、非危险工业废物处置井、城市污水处置井和高放废物处置井四种，其数量多、用途广，是地下灌注井的主要组成部分。

1980年，美国国家环境保护局(US EPA)颁布了《地下灌注控制》法规，该法规要求对包括Ⅰ类灌注井在内的所有类型灌注井加强监管。1988年，US EPA 补充规定了危险废液灌注区须通过多重论证，使有害废液永久(10 000年内)不得发生泄露事故［3］。地下深井处置工业废液技术确保地下饮用水资源不被污染已有超过50年的记录［13］。截至2007年，美国灌注井的数量已达到80 万口，每年有超过7 500 亿加仑(约28 亿t)的废液被注入地下［14］，为控制地下灌注对地下水环境的影响，美国已制定出一整套完善的法律法规及相关管理条例。

近年来，CO2地下封存技术是地下灌注在应对全球气候变化中的一项新技术，已经被越来越多的国家所关注。

(2)俄罗斯

俄罗斯工业起步早，开展地下灌注技术也相对较早［15］。早期大多利用地下灌注技术处置核废料，达到降低放射性废物对地表水环境污染的目的［16］。1966年以来，随着俄罗斯联邦“原子反应堆”项目及国家科学中心在采矿领域的发展，深井地下灌注得到快速发展。1967年，在位于俄罗斯特维尔州北部的加里宁核电站灌注场址，进行了非放射性废物深地质封存试验［17］(表2)。近10年来地下储油、储气库的大量投产，一方面为国家能源提供战略储备，另一方面也为百姓生产生活提供便利。

表2 俄罗斯原子能部企业对核废物及非核废物深井灌注处置案例［18］Table 2 Deep injection sites for liquid radioactive waste and nonradioactive waste from enterprises of Minatom，Russia

(3)德国

德国高放废物的地质处置库选址工作始于20世纪60年代，目前已取得成功［19］。德国北部地区共有200 余个大小不同的盐丘，是建设放射性废物处置库的理想场所，20 世纪60年代在下萨克森州建造了盐矿Asse 试验处置库;70年代在盐矿中建设了Morse-leben 处置库，1976年起在康纳德废弃铁矿开展非发热废物的地质储存研究;1977年Gorleben 盐矿被选为高放废物地质处置候选场址，在进行了20 多年调查工作后由于政治原因暂停了该场址选址工作。

自1960年至今，德国已完成高放废物的场址评价、深部地质环境、工程屏障、处置库施工及性能评价等，建立了完整的研究设施及地下实验室。

(4)加拿大

加拿大深地质处置核废物的选址研究始于1973年，已建成的地下实验室有White Shell 地下实验室、Lac du Bonnet 花岗岩地下实验室等。目前，通过地下实验室的大量现场试验及开展综合地质研究、地球物理、水文地质调查等工作，已完成环境影响评价报告书及地下灌注方法学研究［20］。

除此之外，瑞典、法国、芬兰、印度、日本、荷兰、英国、丹麦等国家均对核废物深地质处置进行了不同程度的工作。随着地质环境概念的提出以及环保观念不断深入人心，地下灌注技术的应用领域也在不断扩大。

2 我国地下灌注应用现状及潜力分析

2.1 我国地下灌注开展现状

我国正处在迅速推进工业化的发展阶段，资源消耗和环境污染成为制约我国工业发展的主要因素，伴随着经济的高速发展，污染物的排放不断增加，地表环境容量已很难满足工业化发展要求［21］。我国地下灌注技术的应用和研究刚刚起步，一些地方开始了自发的地下灌注处置技术实践应用，但总体上我国地下灌注技术尚未正式全面应用，地下灌注的相关法律、规程、理论体系、技术方法等尚待进一步研究。根据实地调研和文献资料调研，列举了国内几个较早从事地下灌注工业废液处置的案例。

2.1.1 重庆索特盐矿废渣处置

重庆索特盐化股份有限公司自2004年以来利用地下灌注技术已经成功处置了该公司60 万t/a 真空制盐装置的制盐废水废渣。其灌注装置包括配渣桶四桶、注渣泵三台、注渣井七口、DCS 自控系统一套。自工业化投运以来，该套装置运行稳定，实现了污染物零排放的目标［22］。

2.1.2 大庆油田含氰污水的深井回灌

大庆油田含氰污水回灌项目始于1996年，结合大庆油气藏特殊的地质构造，将含氰废水注入油田边界过渡带，达到驱油和防止含氰废水污染地下水的目的［23］。项目的研究对我国其他地区在地质条件适宜的情况下从事工业废液回灌具有借鉴意义。

2.1.3 东营杜邦项目

2005年，杜邦公司以山东东营市建设钛白粉生产工业废液地下灌注项目为依托，通过地质选址、工程技术研究及环境管理研究，提出我国进行工业废液地下灌注的地质选址方案、灌注方法、步骤、要求与评估规程等，为我国形成严格的环境技术管理体系提供技术支持［22］。通过前期调研，项目选址定在山东东营，根据其技术特点和当地地质环境的条件，采用特殊的工业废液处置技术——深井地下灌注填埋处置生产过程中产生的金属氯化废液。

2.1.4 中石油金坛天然气存储项目

金坛储气库是我国第一个岩穴储气库，位于江苏省金坛市。金坛盐矿具备岩盐分布稳定、岩层厚度大和顶板强度大等地质条件，加上其优越的地理位置，成为建设储气库的有利地点［24］。截至2011年12月，金坛储气库累计造腔量为294 万m3，在季节性天然气需求突增的情况下能够发挥调峰作用。

2.2 我国开展地下灌注潜力分析

2.2.1 沉积地层

我国沉积盆地众多，陆相沉积岩分布广泛，加之我国地震带分布规律［25］，满足地下灌注所需的灌注层、缓冲层和隔离层，并且满足环境影响评价的区域均可作为灌注项目场所。我国适宜地下灌注的沉积地层地质储层分布广泛，通过地下灌注方式扩充环境容量的潜力巨大。

2.2.2 枯竭油气藏

我国石油、煤炭以及盐矿等非金属矿井几乎遍布全国各地，具有较大的地质空间［26］。统计表明，我国矿业城市约400 座，在这些矿业城市中，处于成长期的占19.7%，鼎盛期的占68.3%，衰退期的占12.0%［27］。鼎盛期和衰退期合计达到80.3%，可见今后10 ～15年内将是我国大中型矿井衰退、报废的集中期，利用废弃矿井进行地下灌注可以有效处置工业污染物，并降低或消除由于开采导致地层压力下降引发的次生地质灾害。

2.2.3 地下盐穴

盐穴一般埋藏于地下数十米至数千米，具有低渗透性、良好的密封性、损伤自愈合性［28］。与其他地质结构相比，盐穴的密封性能够有效阻止灌注介质与外界地下水联系，在地质条件合适的情况下可作为废弃物处置库选址的理想场所。

我国盐矿资源丰富，分布范围广，具有大量处置有害工业废液的潜力。特别是近年来随着盐穴利用领域的不断扩展，如建设储油库、储气库、处理钻井废液及高危放射性废弃物等，我国已经初步形成地下盐穴行业规范，对科学、合理利用盐穴资源具有重要指导意义。

2.2.4 其他地质体

可略含水层、地下溶洞等在地质条件适合的情况下均可作为危险废液的储存场所。

3 地下灌注适用条件

3.1 灌注区选址地质要求

地下灌注的地质选址工作是废液灌注工程成败与否的首要条件［29］。首先，灌注区应位于相对封闭的地质空间内，如相对独立的凹陷或构造盆地，利用天然地质条件阻止废液大面积扩散;其次需要具有一定空间的灌注层即具有较大孔隙度能够容纳且能注入废液的地质体;第三，灌注层上、下部应当有连续的渗透性微弱的封盖层，防止废液上下串层;第四，要远离饮用水源，在预期时间内不会再利用或人为扰动灌注层;第五，要确保区域地壳相对稳定，灌注区内断裂构造不发育［9］。

3.2 灌注层、隔离层、缓冲层地质要求

在选址过程中对灌注地层的要求应满足同时具备灌注层、隔离层、缓冲层三类地层［4］(图1)。

图1 危险废液灌注井结构Fig.1 Hazardous waste injection well structure schematic diagram

灌注层必须具有一定孔隙度，良好的渗透性能和较大的厚度，具有足够容纳废液的空间。隔离层的作用是隔离和封闭，隔离层应具备以下特性:渗透性能差，能够阻止液体废弃介质在垂向上通过该层进入非灌注层;具有连续性，在灌注区影响范围内保持其完整性;具有抗压性，有一定厚度，能够确保在一定灌注压力下隔离层不会出现破裂。

缓冲层类似于灌注层，需具有较大孔隙度和较强渗透性能，同时与灌注介质具有较好的相容性［3］。

4 地下灌注引发地质环境问题简析

地下灌注可能引发的地质环境问题包括对地下水环境的影响，对地表生态环境影响及深部稳定性影响等［30］。

4.1 对地下可饮用水的影响

地下灌注工程对地下水影响主要表现在:勘探和钻井过程中人为导通上下含水层，造成地下水污染和水量的变化;灌注介质在封井后期缓慢扩散或泄漏对地下水造成污染。

4.2 对地表水及地表生态环境的影响

工业废液含有的污染物种类多，成分复杂，一旦泄漏到含水层中将难以恢复，不可避免地会对地表水和人类生活造成影响。

4.3 对土壤的影响

在钻井过程中，钻井废水、废弃泥浆和废弃钻井液等含有的CODCr、石油类、重金属、硫化物、挥发酚、氯化物和碱等主要污染物，将对土壤及地下水评价指标产生影响［31-32］。封井后期灌注介质泄漏也将对土壤产生影响。

4.4 对深部地质稳定性的影响

地下灌注对深部地质稳定性的影响主要表现在地层岩性、地质构造、灌注层岩体力学性质等方面［33］。施工期在钻孔操作时可能导致小范围的地震，对区域构造活动产生一定影响;运营期在向地下灌注的过程中对灌注速率和最大灌注量控制不当可能导致灌注层位围岩体压力的改变而发生不规则变形，诱发地震或地面塌陷等地质灾害。

4.5 对地热资源的影响

地下灌注将灌注液封存在深部地质环境中，有害废液随着时间运移其有害成分(重金属、砷、汞)进入地热水中，当某些有害成分超过允许的临界浓度时会对大气、水、土壤等造成污染。

5 地下灌注环境问题对策分析

5.1 建立健全我国地下灌注相关法律法规

目前，我国地下灌注技术的应用仅限于石油等少数行业，并未形成系统的评价和管理体系。在施工规范与监管体制的制定上，一方面，在国内没有专门法律法规的情况下，对地下灌注技术制定行业规范时应首先满足中国环境保护法中有关法律原则和制度上的一般性规定;另一方面，应针对地下灌注项目的特殊性对深部地质空间进行环境风险分析，确保法律法规的制定切实可行，能充分考虑地下灌注导致的各类新型环境问题。

5.2 加强地下灌注工程环境管理能力

环境影响评价是我国环境保护法律制度中的一项重要制度。与美国等发达国家相比［34］，目前我国还没有出台专门针对地下灌注的环境影响评价技术导则，致使我国已经开展了地下灌注工程但缺少适用的环境管理手段。

5.3 加强对深井灌注活动的许可管理

许可制度是我国环境管理领域广为运用并卓有成效的一项管理制度，许可制度不仅有效地加强了对有关方面的资质管理和市场准入管理，而且也在根本上体现了管理法治化的基本要求。深井灌注技术复杂而且要求高，技术运行的潜在风险大。因此，必须依据我国《行政许可法》的基本规定，并充分考虑深井灌注技术的特点，对深井灌注许可的设定、实施机关、实施程序等问题做出明确的规定［35-36］。及时建立和完善专门的深井灌注许可制度，是将深井灌注活动纳入法制化轨道的重要途径。

6 存在问题和展望

近年来，我国陆续出现利用地质环境处置工业废物的实践活动或开展地质储存技术研究，如利用地下岩穴溶腔储存工业废液、天然气，含氰污水深井回灌以及高放射性废弃物深地质处置等。然而，现阶段我国对地下灌注技术的环境监管十分薄弱，缺乏相应的环境管理法规和控制标准。

随着地下灌注技术的发展和完善，通过深井将人类生活生产所产生的各种废液长期封存于深部地质环境中，可能成为未来10 ～20年我国对废液实行最终处置的选择之一。因此，随着地下灌注技术的出现，我国有必要通过完善地质环境保护法律法规、政策和标准，建立相应管理机构，通过加强监管达到保护地质环境的目的。

［1］田文龙，刘瑶环.我国污水处理事业的现状和发展趋势［J］.中国信息科技，2006(3):110-111.

［2］US EPA. Technical program overview:underground injection control regulations［R］. Washington DC:US EPA，Office of Water，2001.

［3］RISH W R. A probabilistic risk assessment of classⅠhazardous waste injection wells［C］//TSANG C F，APPS J A. Development in water science 52:underground injection science and technology.Amsterdam:Elsevier，2005:93-135.

［4］陈宏坤，王晓华，于景琪，等.地下灌注技术有效处理污染物［N/OL］. 中国环境报，2007-03-13. http://www. cenews. com.cn/historynews/06_07/200712/t20071229_37516.html.

［5］US EPA.Class I underground injuction control program:study of the risks associated with class I underground injection wells［R］.Washington DC:US EPA，2001.

［6］王政，余婷婷，胡金燕，等.油气田废水地下灌注技术及其环境风险分析［J］.石油钻采工艺，2010，32(增刊):162-166.

［7］LEHR J H. Underground injection:a positive advocate［J］.Groundwater Monitoring ＆ Remediation，1986，6(3):4-6.

［8］孟伟，赫英臣.废物处置场地地质屏障的环境安全评价［J］.中国地质，2007，34(1):166-172.

［9］王晓华，于景琦，陈宏坤，等.美国工业废液地下灌注与控制技术介绍［J］.油气田环境保护，2007，17(3):41-44.

［10］CLACK J E，BONURAD K，Van VOORHEES R F. An overview of injection well history in the United States of America［C］//TSANG C F，APPS J A. Development in water science 52:underground injection science and technology. Amsterdam:Elsevier，2005:3-12.

［11］US EPA. Classes of wells［EB/OL］. (2012-08-02)［2012-10-12］.http://water.epa.gov/type/groundwater/uic/wells.cfm.

［12］KOBELSKI B J，SMITH R E，WHITEHURST A L. An interpretation of the safe drinking water act’s “ nonendangerment”standard for the underground injection control(UIC)program［C］//TSANG C F，APPS J A. Development in water science 52:underground injection science and technology.Amsterdam:Elsevier，2005:39-43.

［13］MUNIZ A，TOBON M，BLOETSCHER F.Why current regulations protect florida’s subsurface environment［C］//TSANG C F，APPS J A. Development in water science 52:underground injection science and technology.Amsterdam:Elsevier，2005:29-38.

［14］李强，朱岚，多金环，等. 实施废水地下灌注相关环境保护对策:以杜邦钛白科技公司钛白粉废水地下灌注工程为例［J］.环境保护，2007(4):53-56.

［15］FOLEY M，BALLOU G L，RYBAL`CHENKO A L，et al. Deep injection disposal of liquid radioactive waste in Russia［R］.Columbus，OH:Battelle Press，1998.

［16］郭永海，王驹，金远新.世界高放废物地质处置库选址研究概况及国内进展［J］.地学前缘，2001，8(2):327-332.

［17］RUMYNIN V G，SINDALOVSKIY L N，KONOSAVSKY P K，et al. Review of the studies of radionuclide adsorption/desorption with application to radioactive waste disposal sites in the Russian Federation［C］//TSANG C F，APPS J A. Development in water science 52:underground injection science and technology.Amsterdam:Elsevier，2005:271-311.

［18］RYBALCHENKO A I，PIMENOV M K，KUROCHKIN V M，et al.Deep injection disposal of liquid radioactive waste in Russia，1963-2002:results and consequences［C］//TSANG C F，APPS J A. Development in water science 52:underground injection science and technology.Amsterdam:Elsevier，2005:13-19.

［19］罗嗣海，钱七虎，周文斌，等. 高放废物深地质处置及其研究概况［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(5):831-838.

［20］王驹，陈伟明，苏锐，等. 高放废物地质处置及其若干关键学科问题［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(4):801-812.

［21］鲁意扬.辽宁省开展深井灌注技术处理工业污染物和危险废物的可行性探讨［C］//中国环境保护优秀论文集:下册. 北京:中国环境科学出版社，2005:902-904.

［22］马中，鲍强，田春秀，等. 地下灌注环境管理法规建设研究小组2006年工作报告［R］.北京:国家环境保护总局环境管理法规建设专题研究小组，2006.

［23］黄晓梅.含氰废水深井注入技术的可行性研究［J］.中国环境科学，1999，19(2):185-188.

［24］丁国生.金坛岩穴地下储气库建库关键技术综述［J］.天然气工业，2007，27(3):111-113.

［25］何庆成. 开辟污染物处理新空间［J］. 水文地质工程地质，2009，36(1):1

［26］臧雅琼，高振记，钟伟.CO2地质封存国内外研究概况与应用［J］.环境工程技术学报，2012，2(6):503-507.

［27］付梅臣，曾晖，张宏杰，等. 资源枯竭矿区土地复垦与生态重建技术［J］.科技导报，2009(17):38-43.

［28］陈锋.盐岩力学特性及其在储气库建设中的应用研究［D］.北京:中国科学院研究生院，2006.

［29］MERCER J W，FAUST C R，BROWN C，et al. Analysis of injuction at dupont beaumont works［C］//TSANG C F，APPS J A. Development in water science 52:underground injection science and technology.Amsterdam:Elsevier，2005:51-64.

［30］TEUSCHLER L K，HERTZBERG R C，RICE G E，et al. EPA project-level research strategies for chemical mixtures:targeted research for meaningful results［J］.Environmental Toxicology and Pharmacology，2004，18(3):193-199.

［31］耿春香，张秀霞.西北地区油田开发对生态环境影响的几点分析［J］.环境保护科学，2003，29(2):40-46.

［32］GORDON W，BLOOM J. Deeper problems:limits to underground injection as a hazardous waste disposal method［M］.［S. l.］:Natural Resources Council，Inc.，1985.

［33］SARIPALLI K P，SHARMA M M，BRYANT S L. Modeling injection well performance during deep-well injection of liquid wastes［J］.Journal of Hydrology，2000，227(1/2/3/4):41-55.

［34］KUCHARZYK H K，CRAWFORD R L，BARBARA C，et al.Development of drinking water standards for perchlorate in the United States［J］. Journal of Environmental Management，2009，91(2):303-310.

［35］周珂，张璐，吕明德.深井灌注技术的环境法律控制［J］.环境保护，2004(11):15-18.

［36］KNAPE B. Applications of deep-well injection of industrial and municipal wastewater in Texas［C］//TSANG C F，APPS J A.Development in water science 52:underground injection science and technology.Amsterdam:Elsevier，2005:21-28.▷