污泥处理处置技术的新尝试 ——美国洛杉矶污泥深井灌注技术案例
作者按：“泥水并重”是活性污泥污水处理发展百余年后得出的基本要求，寻求环境友好、公众接受、经济可行的污泥处理处置路线既是生态文明的需要，也是城市发展成熟的标志。在实现污水处理事业高速发展的历史跳跃之后，完善污泥综合解决方案，推动污泥处理处置行业发展成为我国近期面对的重要任务。本文简单介绍了洛杉矶在污泥处理处置领域的历史与现状，并分享一种新型污泥处理处置技术的初步探索和尝试，以飨读者。
洛杉矶污泥处理处置的现状与历史
在美国洛杉矶，污水的收集处理及污泥处理处置都由隶属市政府公共事业部的卫生局负责。目前洛杉矶共建有四座大型污水厂在运行，日处理污水规模约140万吨，服务四百万人口。每年经过深度处理共计再生回用污水5.2亿吨，其中0.99亿用于环境补水。与此同时，2012年污泥总产量达到24万吨。
在历史早期，市政污泥的处理处置并没有引起大家足够的重视。以HTP(Hyperion Treatment Plant)污水厂为例，从1957年至1987年，大量污泥直接通过海洋倾倒的方式处理。仅1987年一年，洛杉矶污泥海洋倾倒量就高达25.9万吨，占当年总污泥产量的60%以上。各种废弃物长期倒入海洋所引发的环境影响逐渐引起社会关注后，1972年美国国会通过了《海洋弃废法》(Ocean Dumping Act, Marine Protection, Research and Sanctuaries Act)，要求美国环保署(USEPA)对海洋废物废弃进行严格科学的选址和环境影响评价，并对海洋倾倒行为进行相应的审批和授权。到了1988年，美国国会正式通过了《禁止海洋弃置法》（Ocean Dumping Ban Act），终结了废弃物的海洋倾倒时代。目前，污泥的海洋弃置行为已被国际公约所禁止，洛杉矶市也从1988年起停止了污泥的海洋倾倒，转而寻求其他污泥处理处置技术路线，并最终形成了以土地利用为主，其他技术路线为辅的处理模式。如图1所示，从上个世纪90年代起，洛杉矶大部分污泥经过厌氧稳定化和脱水处理后，运输至农田进行土地利用。
从1988年到1998年十余年期间，除土地利用外，先后有填埋、化学固定和原位能量利用（低温碳化）三种污泥处理处置技术投入短期使用。其中，最早被选中的技术路线是污泥填埋，1988年全年洛杉矶有接近36万吨污泥进入填埋场，占当年污泥总量的80%以上。然而高昂的填埋费用给市政府带来沉重的财政负担。1988年和1989年污泥大量填埋的两年期间，年均污泥处理费用较1987年翻了一番以上。化学固定和原位能量利用（低温碳化）也终因技术、经济和社会条件的限制而被逐步淡出。在摸索新技术路线的同时，洛杉矶启动了长期的污泥资源利用规划，从1989年开始，污泥产生总量呈现不断下降趋势，而污泥利用率同步上升，最终污泥总产量从上个世纪90年代43万吨的峰值下降到了2012年的24万吨。
此外，为了加强污泥工作的指导和管理，洛杉矶市政府发布了相应的污泥处理处置政策，明确了洛杉矶市政府是污泥处理处置设施规划和建设的责任主体，并对长期的污泥管理工作提出了五条具体目标：
采用环境友好，公众接受度高和经济可行的技术手段处理处置污泥；
遵守所有联邦，州府和地方法律法规；
要求土地利用遵守加州颁布的污泥农用应用规范；
生产符合甚至超过40CFR Part 503法案规定标准的高品质污泥产品；
根据国家污泥联盟(National Biosolids Partnership)环境管理系统的要求进行系统管理。
污泥处理处置发展过程中的争端与争议
从1989年起至今的二十余年间，洛杉矶污泥处理处置基本以土地利用为主，该技术路线也曾在社会上引起诸多争议和争端。为了确保拥有稳定的农田进行污泥土地利用，2000年洛杉矶甚至购买了克恩县(Kern County)面积高达18.9平方公里的绿亩农场(Green Acres)专用于污泥处理处置，并且目前污泥农用过程依照503法案最严的A级标准执行，农场选择种植作物为非食物链作物(non-food chain crops)。然而，土地利用的公众接受程度依然有限。
2006年，克恩县政府在征求当地居民投票表决后通过了禁止污泥农用的决议。面对无地可用困局的洛杉矶市政府，联合同受影响的南加州相关郡县一同向加州地方法院提起诉讼，要求撤销克恩县的禁令。该诉讼历时长久，虽然在立案诉讼期间暂时不影响污泥处理的土地利用，但洛杉矶政府的诉讼请求并未得到法院支持。在2010年地方法院宣布撤销立案两个月后，克恩县开始执行禁令，要求洛杉矶市政府经过6个月缓冲期后停止在该县农场进行污泥土地利用。于是，洛杉矶市政府联合原告再次提起诉讼，一年半后加州上诉法庭(California Court of Appeal)判定克恩县禁令因有越权嫌疑，并且没有提供污泥土地利用过程中对环境或者公众健康造成影响的证据，因而支持暂时搁置判决结果。这也就意味着克恩县的污泥土地利用行为暂时得以延续。然而污泥的终极出路在哪里，如洛杉矶市政府自身污泥政策言明的首个目标所言，如何才能切实实现“采用通过环境友好，公众接受度高和经济可行的技术手段处理处置污泥”，依然是环境从业者们不断探索和追求的目标。而污泥深井灌注技术便是在此背景下的一次新尝试。
新的尝试——污泥深井灌注技术
污泥深井灌注技术是废弃物深井灌注技术在污泥处理处置上的进一步应用，其利用石油化工行业成熟的深井技术，将污泥注入地下深层密闭地质结构，可以通过地下存置过程中的热化学反应及生化反应将污泥转化为甲烷和二氧化碳等产物。经过适当工艺设计，二氧化碳在地下高温高压自然环境下溶解、捕集并固定于地层中，而由于气体溶解度的差异，甲烷气体可以与二氧化碳分离并实现有效收集，最终同时实现污泥的降解、二氧化碳固定和可再生能源回收利用的三重目标。此外，项目收集产生的甲烷可以进一步用于绿色电能生产。
目前，洛杉矶的特米诺岛可再生能源项目(Terminal Island Renewable Energy project, (T.I.R.E.)) 是全美首例深井灌注技术在污泥处理处置上的实际应用。项目坐落于加州特米诺岛，由一口灌注井和两口监测井构成。预期日处理污泥120-400吨，目标灌注深度1100-1600米，灌注地层孔隙度22%。项目选择的灌注区域由多层不可渗透的密封地层和主要断裂线构成，以确保灌注区域的隔离、安全和密闭。同时，通过监测井详细记录地震波、伽马射线、温度、压力及地震图等参数，以实时控制灌注过程中的环境风险，并尝试对甲烷产生和二氧化碳固定过程进行科学测定和分析。
根据清洁饮用水法案(Safe Drinking Water Act)的规定，项目先于2006年获得EPA颁发的建设许可(UIC permit)后于次年动工建设，并于2008年正式启动运行。根据2010年的项目运行数据，项目日灌注污泥约200吨，产生沼气约8000方，甲烷含量在45%-60%之间。经过三年运行期后，项目于2011年再次向EPA申请为期5年的运行许可，同时申请增加监测井数量，并将灌注污泥量由200吨/每天提升至400吨/每天。目前初步的经济核算结果表明，项目建设费用明显低于干化焚烧或者汽化设备，运行费用也处于较低水平，每吨湿污泥处理费用约50美元，为污泥长期处理处置提供了经济可行的潜在方案。
必须明确的是，废弃物的“深井灌注”与非法“地下排污”有本质区别。“深井灌注”技术最基本的前提是要利用地质构造，保证排放物与地下水完全隔绝。目前人们开采地下水的深度一般不超过300～500米，“深井灌注”的井深通常约800米到超过3200米不等。美国是最早利用深井进行废液灌注的国家，20世纪30年代起，美国的石油公司开始利用深井灌注技术处理石油和天然气产品的废液。目前，每年有超过7500亿加仑的废液注入地下，其灌注井数量也已超过65万口。全美约89%难以处理的危险工业废液均通过深井灌注方式来进行处置，以实现对环境影响的最小化。
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