污泥處理處置技術(shù)的新嘗試 ——美國(guó)洛杉磯污泥深井灌注技術(shù)案例
“泥水并重”是活性污泥污水處理發(fā)展百余年后得出的基本要求，尋求環(huán)境友好、公眾接受、經(jīng)濟(jì)可行的污泥處理處置路線既是生態(tài)文明的需要，也是城市發(fā)展成熟的標(biāo)志。在實(shí)現(xiàn)污水處理事業(yè)高速發(fā)展的歷史跳躍之后，完善污泥綜合解決方案，推動(dòng)污泥處理處置行業(yè)發(fā)展成為我國(guó)近期面對(duì)的重要任務(wù)。本文簡(jiǎn)單介紹了洛杉磯在污泥處理處置領(lǐng)域的歷史與現(xiàn)狀，并分享一種新型污泥處理處置技術(shù)的初步探索和嘗試，以饗讀者。
洛杉磯污泥處理處置的現(xiàn)狀與歷史
在美國(guó)洛杉磯，污水的收集處理及污泥處理處置都由隸屬市政府公共事業(yè)部的衛(wèi)生局負(fù)責(zé)。目前洛杉磯共建有四座大型污水廠在運(yùn)行，日處理污水規(guī)模約140萬(wàn)噸，服務(wù)四百萬(wàn)人口。每年經(jīng)過(guò)深度處理共計(jì)再生回用污水5.2億噸，其中0.99億用于環(huán)境補(bǔ)水。與此同時(shí)，2012年污泥總產(chǎn)量達(dá)到24萬(wàn)噸。
在歷史早期，市政污泥的處理處置并沒(méi)有引起大家足夠的重視。以HTP(Hyperion Treatment Plant)污水廠為例，從1957年至1987年，大量污泥直接通過(guò)海洋傾倒的方式處理。僅1987年一年，洛杉磯污泥海洋傾倒量就高達(dá)25.9萬(wàn)噸，占當(dāng)年總污泥產(chǎn)量的60%以上。各種廢棄物長(zhǎng)期倒入海洋所引發(fā)的環(huán)境影響逐漸引起社會(huì)關(guān)注后，1972年美國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)了《海洋棄廢法》(Ocean Dumping Act, Marine Protection, Research and Sanctuaries Act)，要求美國(guó)環(huán)保署(USEPA)對(duì)海洋廢物廢棄進(jìn)行嚴(yán)格科學(xué)的選址和環(huán)境影響評(píng)價(jià)，并對(duì)海洋傾倒行為進(jìn)行相應(yīng)的審批和授權(quán)。到了1988年，美國(guó)國(guó)會(huì)正式通過(guò)了《禁止海洋棄置法》（Ocean Dumping Ban Act），終結(jié)了廢棄物的海洋傾倒時(shí)代。目前，污泥的海洋棄置行為已被國(guó)際公約所禁止，洛杉磯市也從1988年起停止了污泥的海洋傾倒，轉(zhuǎn)而尋求其他污泥處理處置技術(shù)路線，并最終形成了以土地利用為主，其他技術(shù)路線為輔的處理模式。如圖1所示，從上個(gè)世紀(jì)90年代起，洛杉磯大部分污泥經(jīng)過(guò)厭氧穩(wěn)定化和脫水處理后，運(yùn)輸至農(nóng)田進(jìn)行土地利用。
從1988年到1998年十余年期間，除土地利用外，先后有填埋、化學(xué)固定和原位能量利用（低溫碳化）三種污泥處理處置技術(shù)投入短期使用。其中，最早被選中的技術(shù)路線是污泥填埋，1988年全年洛杉磯有接近36萬(wàn)噸污泥進(jìn)入填埋場(chǎng)，占當(dāng)年污泥總量的80%以上。然而高昂的填埋費(fèi)用給市政府帶來(lái)沉重的財(cái)政負(fù)擔(dān)。1988年和1989年污泥大量填埋的兩年期間，年均污泥處理費(fèi)用較1987年翻了一番以上。化學(xué)固定和原位能量利用（低溫碳化）也終因技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)條件的限制而被逐步淡出。在摸索新技術(shù)路線的同時(shí)，洛杉磯啟動(dòng)了長(zhǎng)期的污泥資源利用規(guī)劃，從1989年開(kāi)始，污泥產(chǎn)生總量呈現(xiàn)不斷下降趨勢(shì)，而污泥利用率同步上升，最終污泥總產(chǎn)量從上個(gè)世紀(jì)90年代43萬(wàn)噸的峰值下降到了2012年的24萬(wàn)噸。
此外，為了加強(qiáng)污泥工作的指導(dǎo)和管理，洛杉磯市政府發(fā)布了相應(yīng)的污泥處理處置政策，明確了洛杉磯市政府是污泥處理處置設(shè)施規(guī)劃和建設(shè)的責(zé)任主體，并對(duì)長(zhǎng)期的污泥管理工作提出了五條具體目標(biāo)：
采用環(huán)境友好，公眾接受度高和經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)手段處理處置污泥；
遵守所有聯(lián)邦，州府和地方法律法規(guī)；
要求土地利用遵守加州頒布的污泥農(nóng)用應(yīng)用規(guī)范；
生產(chǎn)符合甚至超過(guò)40CFR Part 503法案規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的高品質(zhì)污泥產(chǎn)品；
根據(jù)國(guó)家污泥聯(lián)盟(National Biosolids Partnership)環(huán)境管理系統(tǒng)的要求進(jìn)行系統(tǒng)管理。
污泥處理處置發(fā)展過(guò)程中的爭(zhēng)端與爭(zhēng)議
從1989年起至今的二十余年間，洛杉磯污泥處理處置基本以土地利用為主，該技術(shù)路線也曾在社會(huì)上引起諸多爭(zhēng)議和爭(zhēng)端。為了確保擁有穩(wěn)定的農(nóng)田進(jìn)行污泥土地利用，2000年洛杉磯甚至購(gòu)買(mǎi)了克恩縣(Kern County)面積高達(dá)18.9平方公里的綠畝農(nóng)場(chǎng)(Green Acres)專用于污泥處理處置，并且目前污泥農(nóng)用過(guò)程依照503法案最嚴(yán)的A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，農(nóng)場(chǎng)選擇種植作物為非食物鏈作物(non-food chain crops)。然而，土地利用的公眾接受程度依然有限。
2006年，克恩縣政府在征求當(dāng)?shù)鼐用裢镀北頉Q后通過(guò)了禁止污泥農(nóng)用的決議。面對(duì)無(wú)地可用困局的洛杉磯市政府，聯(lián)合同受影響的南加州相關(guān)郡縣一同向加州地方法院提起訴訟，要求撤銷克恩縣的禁令。該訴訟歷時(shí)長(zhǎng)久，雖然在立案訴訟期間暫時(shí)不影響污泥處理的土地利用，但洛杉磯政府的訴訟請(qǐng)求并未得到法院支持。在2010年地方法院宣布撤銷立案兩個(gè)月后，克恩縣開(kāi)始執(zhí)行禁令，要求洛杉磯市政府經(jīng)過(guò)6個(gè)月緩沖期后停止在該縣農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行污泥土地利用。于是，洛杉磯市政府聯(lián)合原告再次提起訴訟，一年半后加州上訴法庭(California Court of Appeal)判定克恩縣禁令因有越權(quán)嫌疑，并且沒(méi)有提供污泥土地利用過(guò)程中對(duì)環(huán)境或者公眾健康造成影響的證據(jù)，因而支持暫時(shí)擱置判決結(jié)果。這也就意味著克恩縣的污泥土地利用行為暫時(shí)得以延續(xù)。然而污泥的終極出路在哪里，如洛杉磯市政府自身污泥政策言明的首個(gè)目標(biāo)所言，如何才能切實(shí)實(shí)現(xiàn)“采用通過(guò)環(huán)境友好，公眾接受度高和經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)手段處理處置污泥”，依然是環(huán)境從業(yè)者們不斷探索和追求的目標(biāo)。而污泥深井灌注技術(shù)便是在此背景下的一次新嘗試。
新的嘗試——污泥深井灌注技術(shù)
污泥深井灌注技術(shù)是廢棄物深井灌注技術(shù)在污泥處理處置上的進(jìn)一步應(yīng)用，其利用石油化工行業(yè)成熟的深井技術(shù)，將污泥注入地下深層密閉地質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)地下存置過(guò)程中的熱化學(xué)反應(yīng)及生化反應(yīng)將污泥轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳等產(chǎn)物。經(jīng)過(guò)適當(dāng)工藝設(shè)計(jì)，二氧化碳在地下高溫高壓自然環(huán)境下溶解、捕集并固定于地層中，而由于氣體溶解度的差異，甲烷氣體可以與二氧化碳分離并實(shí)現(xiàn)有效收集，最終同時(shí)實(shí)現(xiàn)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標(biāo)。此外，項(xiàng)目收集產(chǎn)生的甲烷可以進(jìn)一步用于綠色電能生產(chǎn)。
目前，洛杉磯的特米諾島可再生能源項(xiàng)目(Terminal Island Renewable Energy project, (T.I.R.E.)) 是全美首例深井灌注技術(shù)在污泥處理處置上的實(shí)際應(yīng)用。項(xiàng)目坐落于加州特米諾島，由一口灌注井和兩口監(jiān)測(cè)井構(gòu)成。預(yù)期日處理污泥120-400噸，目標(biāo)灌注深度1100-1600米，灌注地層孔隙度22%。項(xiàng)目選擇的灌注區(qū)域由多層不可滲透的密封地層和主要斷裂線構(gòu)成，以確保灌注區(qū)域的隔離、安全和密閉。同時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)井詳細(xì)記錄地震波、伽馬射線、溫度、壓力及地震圖等參數(shù)，以實(shí)時(shí)控制灌注過(guò)程中的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，并嘗試對(duì)甲烷產(chǎn)生和二氧化碳固定過(guò)程進(jìn)行科學(xué)測(cè)定和分析。
根據(jù)清潔飲用水法案(Safe Drinking Water Act)的規(guī)定，項(xiàng)目先于2006年獲得EPA頒發(fā)的建設(shè)許可(UIC permit)后于次年動(dòng)工建設(shè)，并于2008年正式啟動(dòng)運(yùn)行。根據(jù)2010年的項(xiàng)目運(yùn)行數(shù)據(jù)，項(xiàng)目日灌注污泥約200噸，產(chǎn)生沼氣約8000方，甲烷含量在45%-60%之間。經(jīng)過(guò)三年運(yùn)行期后，項(xiàng)目于2011年再次向EPA申請(qǐng)為期5年的運(yùn)行許可，同時(shí)申請(qǐng)?jiān)黾颖O(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)量，并將灌注污泥量由200噸/每天提升至400噸/每天。目前初步的經(jīng)濟(jì)核算結(jié)果表明，項(xiàng)目建設(shè)費(fèi)用明顯低于干化焚燒或者汽化設(shè)備，運(yùn)行費(fèi)用也處于較低水平，每噸濕污泥處理費(fèi)用約50美元，為污泥長(zhǎng)期處理處置提供了經(jīng)濟(jì)可行的潛在方案。
必須明確的是，廢棄物的“深井灌注”與非法“地下排污”有本質(zhì)區(qū)別。“深井灌注”技術(shù)最基本的前提是要利用地質(zhì)構(gòu)造，保證排放物與地下水完全隔絕。目前人們開(kāi)采地下水的深度一般不超過(guò)300～500米，“深井灌注”的井深通常約800米到超過(guò)3200米不等。美國(guó)是最早利用深井進(jìn)行廢液灌注的國(guó)家，20世紀(jì)30年代起，美國(guó)的石油公司開(kāi)始利用深井灌注技術(shù)處理石油和天然氣產(chǎn)品的廢液。目前，每年有超過(guò)7500億加侖的廢液注入地下，其灌注井?dāng)?shù)量也已超過(guò)65萬(wàn)口。全美約89%難以處理的危險(xiǎn)工業(yè)廢液均通過(guò)深井灌注方式來(lái)進(jìn)行處置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境影響的最小化。
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