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      當(dāng)前，中國(guó)正處于頁巖氣開發(fā)的起步階段，為減小中國(guó)頁巖氣規(guī)?；掷m(xù)開發(fā)帶來的水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)其可持續(xù)發(fā)展，加強(qiáng)頁巖氣壓裂返排液處理處置的管理尤為重要。近年來，一些學(xué)者研究了頁巖氣開發(fā)中的水環(huán)境影響問題，并從環(huán)境影響評(píng)價(jià)制度、環(huán)境保證金制度、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急管理體系等方面，提倡建立并完善中國(guó)頁巖氣開發(fā)環(huán)境監(jiān)管法律法規(guī)制度。本文以頁巖氣開發(fā)中的水環(huán)境保護(hù)為核心，通過梳理中、美頁巖氣開發(fā)過程中壓裂返排液處置的相關(guān)政策及法律法規(guī)，提出中國(guó)頁巖氣壓裂返排液管理的對(duì)策。

 地下水含水層與隔水層示意圖

 水力壓裂示意圖（a）和返排液/產(chǎn)出水TDS及δ18O隨時(shí)間變化（b）

      水力壓裂技術(shù)是頁巖氣開發(fā)的核心技術(shù)，水力壓裂操作過程需要在短時(shí)間內(nèi)消耗大量水資源，開采過程中所需鉆井?dāng)?shù)量多、單井需水量大。一些注入的水力壓裂液會(huì)滯留在地層，但仍有5%～80%的注入水會(huì)在壓裂液釋放壓力后返回地面，這些回流的液體通常包含支撐劑、化學(xué)殘留物和地層水、巖屑中的各類物質(zhì)。頁巖氣開發(fā)產(chǎn)生的地表水污染主要是由成分復(fù)雜的壓裂返排液造成的。返排液由于與頁巖儲(chǔ)層的長(zhǎng)時(shí)間緊密接觸，返排回地表時(shí)還存在著壓裂液組分以外的物質(zhì)，如石油烴類冷凝物等有機(jī)物到附近水體，將會(huì)對(duì)地表水帶來污染。壓裂液中添加劑的溶解性化學(xué)成分也可能會(huì)滲入地下水，增加有毒有害有機(jī)物等溶解性化學(xué)物質(zhì)對(duì)地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)。

      美國(guó)針對(duì)頁巖氣開發(fā)是否會(huì)造成地下水污染問題開展了大量研究，發(fā)現(xiàn)Marcellus頁巖氣井1km范圍以內(nèi)的地下水中的甲烷含量遠(yuǎn)高于1km以外的地下水；美國(guó)在懷俄明州頁巖氣開發(fā)區(qū)域的淺層地下、鹵水（高濃度的鈉、氯、溴化物和其他無機(jī)成分）和天然放射性物質(zhì)等。返排液水質(zhì)指標(biāo)中的化學(xué)需氧量（COD）、懸浮物（SS）的含量常高于中國(guó)的GB89781996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，且此類廢水由于污染物種類多、鹽度大使得處理技術(shù)難度大、成本費(fèi)用高，若不經(jīng)妥善處理使返排液泄漏或排放水中檢測(cè)到壓裂液添加劑成分。因此，為了減少環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，保持頁巖氣產(chǎn)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展，必須對(duì)壓裂過程帶來的水環(huán)境影響問題進(jìn)行有效管控。下文介紹美國(guó)和中國(guó)的監(jiān)管方式及管理依據(jù)，進(jìn)行對(duì)比和總結(jié)。

      美國(guó)的監(jiān)管權(quán)是由聯(lián)邦政府和州政府共同擁有，采用分級(jí)監(jiān)管的方式。美國(guó)聯(lián)邦政府頒布的各項(xiàng)法律及規(guī)章條例中與水環(huán)境保護(hù)相關(guān)的主要有《清潔水法案》《安全飲用水法》及《石油污染法案》等。

      其中，《清潔水法案》利用國(guó)家污染物排放消除系統(tǒng)許可程序從排污許可和總量控制的角度來控制油氣開采可能對(duì)水環(huán)境造成的影響。聯(lián)邦政府于2009年出臺(tái)了《壓裂責(zé)任與化學(xué)品意識(shí)法》，該法案進(jìn)一步明確地下注入監(jiān)控法規(guī)框架（UndergroundInjectionControl，UIC）中包含油氣開發(fā)中使用的地下注入物質(zhì)和支撐介質(zhì)，此外，要求相關(guān)企業(yè)公布水力壓裂液的化學(xué)成分，以監(jiān)督和規(guī)范壓裂液中各類化學(xué)品的使用。

      美國(guó)頁巖氣開發(fā)涉及的環(huán)境問題在相關(guān)聯(lián)邦政府機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)的協(xié)定和計(jì)劃下，被下放到各州政府具體執(zhí)行。若各州標(biāo)準(zhǔn)與被替代的聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)具有同等保護(hù)性或?yàn)榱诉_(dá)到本地環(huán)保要求而具有更高保護(hù)性，美國(guó)各州可以執(zhí)行區(qū)域性、州級(jí)特性的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

      美國(guó)各州在環(huán)境監(jiān)管執(zhí)行上具有特色鮮明、主動(dòng)性大的優(yōu)點(diǎn)，州政府和開發(fā)地區(qū)環(huán)境監(jiān)管機(jī)構(gòu)因地制宜地進(jìn)行環(huán)境監(jiān)管，提出適合開發(fā)區(qū)塊的具體監(jiān)管政策規(guī)定，從而彌補(bǔ)聯(lián)邦法律中水力壓裂具體環(huán)節(jié)監(jiān)管的缺失，一些州建立了更為嚴(yán)格完善、各自適用的監(jiān)管法規(guī)、制度、標(biāo)準(zhǔn)體系。例如，美國(guó)有14個(gè)州要求頁巖氣開發(fā)商可在不泄露商業(yè)機(jī)密基礎(chǔ)上，在網(wǎng)站上提交并向民眾公開水力壓裂液的化學(xué)組成相關(guān)信息，其中，蒙大拿州和懷俄明州要求頁巖氣開發(fā)商主動(dòng)公開使用的壓裂液化學(xué)物質(zhì)含量。

      美國(guó)各州、政府和頁巖氣開發(fā)商本著保護(hù)地表和地下水資源甚至能減少未來對(duì)淡水需求的原則處理返排液，通過遵循“減少、重復(fù)利用、再循環(huán)”的污染預(yù)防和控制原則，對(duì)返排液的處理方式和管理措施主要有以下3種方式：地下注入、回收利用和達(dá)標(biāo)排放。

      根據(jù)美國(guó)地下注入監(jiān)控法規(guī)框架（UIC）的管理方案，其中，蒙大拿州和懷俄明州要求頁巖氣開發(fā)商主動(dòng)公開使用的壓裂液化學(xué)物質(zhì)含量。

      據(jù)美國(guó)環(huán)保署報(bào)告指出，大部分II類注入井的液體是油氣生產(chǎn)中被帶至地表的鹵水，這種鹵水是地層中天然形成的，含鹽度一般很高且可能含有天然放射性物質(zhì)，若排放到地表水或土地表面會(huì)危害環(huán)境和公眾健康。

      為了防止污染土地和地表水，II類注入井允許同層回注。根據(jù)Navigant咨詢公司報(bào)告，考慮到受地表污水處理的返排液運(yùn)輸、處置和異地處理等成本和地質(zhì)條件等環(huán)境因素以及各州為防止鹵水污染地表水和土壤所采取的處理規(guī)定，II類注入井已成為水力壓裂操作中返排液的首選處理方式。

      但使用地下注入方式處理返排液不是所有頁巖氣開發(fā)區(qū)域都可以使用的，因?yàn)橛行﹨^(qū)域不屬于可注入的范圍，如，賓夕法尼亞州只有5口用于返排液地下注入的II類注入井，而德克薩斯州和科羅拉多州更適合建設(shè)II類注入井。在紐約州和賓夕法尼亞州，獲得美國(guó)環(huán)保署和環(huán)保機(jī)構(gòu)簽發(fā)的許可證才能通過深井注入來處理返排液。

      返排液進(jìn)行回收利用前需經(jīng)過服務(wù)公司和開發(fā)商的評(píng)估，確定返排液的處理程度和所需補(bǔ)給水量。通常情況下，根據(jù)需要處理返排液的流量和總體積、需除去的成分及其含量、處理需達(dá)到的目標(biāo)，以及回用、排放的要求，來決定現(xiàn)場(chǎng)處理設(shè)備和技術(shù)方法。

      通常返排液處理到達(dá)到水力壓裂要求或能夠用作其他工業(yè)用水即可，不需要將其處理到可以排放到地表水或用作飲用水的程度，因此，美國(guó)建設(shè)了一些商業(yè)廢水處理設(shè)備，用于處理頁巖氣開發(fā)的返排液廢水。

      雖然返排液的重新利用能節(jié)約用水量，減少其他處理方式需求，解決取水的相關(guān)問題，但為了提高利用返排液配置的壓裂液的性能和節(jié)約成本，美國(guó)開展研究以尋求新方法和技術(shù)來使返排液的回收利用成本更低。

      在美國(guó)返排液含有需要進(jìn)一步處理的污染物而無法排放到地表水時(shí)，服務(wù)公司將不得不轉(zhuǎn)移返排液到廢水處理工廠。美國(guó)工業(yè)廢水處理設(shè)施的運(yùn)營(yíng)商將根據(jù)處理設(shè)施的排污許可標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行廢水處理，然后才排放到附近受納水體。

      中國(guó)頁巖氣開發(fā)環(huán)境監(jiān)管機(jī)構(gòu)分為中央和地方兩個(gè)層級(jí)，中央監(jiān)管職責(zé)權(quán)限主要?dú)w屬于生態(tài)環(huán)境部、自然資源部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家稅務(wù)總局、國(guó)家財(cái)政部，地方監(jiān)管依靠于各省地市級(jí)政府、地方環(huán)保部門和行業(yè)組織。

      中國(guó)頒布的水環(huán)境保護(hù)方面的各項(xiàng)法律及規(guī)章條例中與頁巖氣開采相關(guān)的主要有《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》《水污染防治法》《環(huán)境影響評(píng)價(jià)法》及《石油天然氣開采業(yè)污染防治技術(shù)政策》等。總體上，有關(guān)頁巖氣開發(fā)環(huán)境監(jiān)管方面的環(huán)保法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)零散分布在相關(guān)的法規(guī)條例中，沒有針對(duì)性解決頁巖氣開發(fā)過程中產(chǎn)生的特殊生態(tài)環(huán)境影響問題，如水力壓裂技術(shù)及其產(chǎn)生的高礦化度的返排液。

此外，從國(guó)家能源局關(guān)于《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃（20162020年）》來看，中國(guó)雖然強(qiáng)調(diào)大幅度提高頁巖氣產(chǎn)量的同時(shí)要注重生態(tài)保護(hù)，但尚未從排污許可和總量控制的角度規(guī)劃頁巖氣產(chǎn)業(yè)環(huán)境保護(hù)政策。

中國(guó)頁巖氣壓裂返排液處置主要采用“大量回用，少量回注及外排”的方式?？傮w上，中國(guó)和美國(guó)均通過回注、回用、外排這3種方式進(jìn)行壓裂返排液的處理處置，但由于兩國(guó)管理依據(jù)各具特點(diǎn)，使其在執(zhí)行中存在異同（表2）。

表 2 中、美頁巖氣開采壓裂返排液的管理特點(diǎn)

      在壓裂返排液地下注入方面，美國(guó)依據(jù)聯(lián)邦法規(guī)層面的地下注入監(jiān)控法規(guī)框架進(jìn)行管理，中國(guó)主要依靠能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和油氣公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行回注。中國(guó)要求頁巖氣開發(fā)中壓裂返排液回注目的層應(yīng)當(dāng)為地質(zhì)構(gòu)造封閉地層，一般應(yīng)回注到現(xiàn)役油氣藏或枯竭廢棄油氣藏。

      而回注處理的開采廢水應(yīng)當(dāng)依據(jù)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T14002.3     2015《頁巖氣儲(chǔ)層改造第3部分：壓裂返排液回收和處理方法》、石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T6596 2016《氣田水注入技術(shù)要求》及油氣公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY01004   2016《氣田水回注技術(shù)規(guī)范》。

      近年來，部分地區(qū)的環(huán)境管理部門對(duì)回注方式持謹(jǐn)慎態(tài)度，對(duì)回注處理方式提出了嚴(yán)格的環(huán)境監(jiān)管要求。如，2019年12月發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)石油天然氣行業(yè)環(huán)境影響評(píng)價(jià)管理的通知》中提到涉及廢水回注的，應(yīng)當(dāng)論證回注的環(huán)境可行性，采取切實(shí)可行的地下水污染防治和監(jiān)控措施，不得回注與油氣開采無關(guān)的廢水，嚴(yán)禁造成地下水污染；如，2018年2月頒布的《四川省頁巖氣開采業(yè)污染防治技術(shù)政策》提出“對(duì)采取壓裂返排液回注處理方式的，應(yīng)充分考慮其依托回注井的完整性，注入層的封閉性、隔離性、可行性，以及壓裂返排液與注入層的相容性，確保環(huán)境安全。依托的回注井相關(guān)手續(xù)須齊全，運(yùn)行監(jiān)控管理制度須健全”。

      部分地區(qū)已禁止壓裂返排液采用回注方式處理，如，2016年頒布的《重慶市頁巖氣勘探開發(fā)行業(yè)環(huán)境保護(hù)指導(dǎo)意見（試行）》中首次對(duì)廢水處置提出“壓裂返排液回用于配置壓裂液，回用不完的，應(yīng)處理達(dá)標(biāo)后進(jìn)行排放，嚴(yán)禁偷排漏排、稀釋排放或回注”。

      中國(guó)在壓裂返排液回用方面主要依照能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及地方產(chǎn)業(yè)政策，而美國(guó)壓裂返排液的回用主要依據(jù)商業(yè)市場(chǎng)需求。

      目前，國(guó)內(nèi)先后出臺(tái)多項(xiàng)環(huán)保技術(shù)政策以規(guī)范石油天然氣開采業(yè)的水污染防治。根據(jù)大量的現(xiàn)場(chǎng)工廠化應(yīng)用數(shù)據(jù)，2015年，國(guó)家能源局出臺(tái)N-B/T14002.3     2015《頁巖氣儲(chǔ)層改造第3部分：壓裂返排 液回收和處理方法》，規(guī)定了壓裂返排液等廢水回用處理后水質(zhì)要求。

      2018年，發(fā)布《四川省頁巖氣開采業(yè)污染防治技術(shù)政策》，明確指出鉆井廢水和壓裂返排液應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行回用，平臺(tái)鉆井廢水回用率、平臺(tái)或區(qū)域壓裂返排液回用率均應(yīng)達(dá)到85%以上。

      在建設(shè)四川長(zhǎng)寧威遠(yuǎn)國(guó)家級(jí)頁巖氣示范區(qū)過程中，中國(guó)石油集團(tuán)注重加強(qiáng)循環(huán)利用壓裂返排液來減少用水量，采用平臺(tái)內(nèi)回用和區(qū)域平臺(tái)內(nèi)回用的方式，減少壓裂施工的清水取用量和返排液外運(yùn)處置量，符合2018年發(fā)布的《四川省頁巖氣開采業(yè)污染防治技術(shù)政策》中“壓裂返排液回用率應(yīng)達(dá)到85%以上”要求。

      中國(guó)尚缺乏針對(duì)頁巖氣開采行業(yè)的廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)處理后外排，指返排液經(jīng)污水處理廠處理后能夠滿足相應(yīng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)限制等要求。壓裂返排液回用率通常達(dá)不到100%，特別是當(dāng)排放期并不是井場(chǎng)壓裂作業(yè)時(shí)期，而貯存池?zé)o法滿足大量返排液長(zhǎng)期存放至回用，就會(huì)造成大量亟待排放的壓裂返排液。

      從環(huán)境管理、政策導(dǎo)向等方面來看，回注不利于環(huán)境管理，只是暫時(shí)控制了污染，沒有從源頭根本上消除污染，國(guó)家和行業(yè)層面更倡導(dǎo)支持科技創(chuàng)新，要求返排液達(dá)標(biāo)排放，更有利于對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的環(huán)境管控。

      目前，國(guó)內(nèi)某些地區(qū)返排液達(dá)標(biāo)排放要求滿足GB89781996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)排放限值，在該標(biāo)準(zhǔn)中未明確壓裂返排液所歸屬的污水行業(yè)類型，也未給出對(duì)于頁巖氣開采行業(yè)的污水排放標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

      隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求的提高，限制鹽或氯化物含量的省份越來越多，貴州、云南、四川等地方政策已經(jīng)要求對(duì)區(qū)塊壓裂返排液采用集中處置和深度處理以滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。

      此外，壓裂返排液排放前須取得了環(huán)境主管部門的排污許可證，而壓裂返排液脫鹽處理工藝處理產(chǎn)生的結(jié)晶鹽須交由有危廢處置資格的企業(yè)進(jìn)行了處置。

      2018年，四川省發(fā)布《四川省頁巖氣開采業(yè)污染防治技術(shù)政策》，指出區(qū)域有集中處理?xiàng)l件的，可納入集中式污水處理廠處理；區(qū)域無集中處理?xiàng)l件的，可自行處理達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后排放，其中，對(duì)氯化物的管理可以參照GB50842005《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中的有關(guān)規(guī)定。

      目前，還沒有準(zhǔn)確的頁巖氣開采行業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，各級(jí)各類標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范性文件中也尚無對(duì)壓裂返排液外排中氯化物含量限值的確切規(guī)定。

頁巖氣鉆井廢水特點(diǎn)

      返排液具有產(chǎn)量變化大、成分復(fù)雜、不穩(wěn)定性、難降解、高COD、高TDS、高硬度等特點(diǎn)。

      壓裂返排液外排處理技術(shù)

      達(dá)標(biāo)外排處理技術(shù)必須包含去除SS、油類、COD、氨氮、硬度和TDS，而難點(diǎn)和重點(diǎn)在于將高TDS從水中分離，以達(dá)到外排標(biāo)準(zhǔn)。 

      根據(jù)外排水標(biāo)準(zhǔn)，外排處理包含氣浮、催化氧化、軟化沉淀、超濾、提濃、蒸發(fā)結(jié)晶和深度處理等工藝，該工藝不僅能達(dá)標(biāo)外排，還能將返排液中的NaCl作為產(chǎn)品提出。分離出的NaCl可作為化工原料和畜牧用鹽，達(dá)到了有價(jià)物質(zhì)資源化的目的。達(dá)標(biāo)外排工藝中的深度處理裝置主要針對(duì)采用不同的膜提濃工藝或不同蒸發(fā)工況造成不達(dá)標(biāo)而增加的，但需根據(jù)不同的水質(zhì)設(shè)置不同的深度處理裝置。如采用電滲析裝置，需增加淡水除COD裝置；如蒸發(fā)結(jié)晶在堿性條件下蒸發(fā)，氨氮進(jìn)入冷凝水，需增加脫氨氮裝置。由于壓裂返排液達(dá)標(biāo)外排標(biāo)準(zhǔn)較高，處理工藝較為復(fù)雜，流程較長(zhǎng)，所以宜將返排液收集建污水廠集中處理。

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