當前，中國正處于頁巖氣開發的起步階段，為減小中國頁巖氣規模化持續開發帶來的水環境風險，促進其可持續發展，加強頁巖氣壓裂返排液處理處置的管理尤為重要。近年來，一些學者研究了頁巖氣開發中的水環境影響問題，并從環境影響評價制度、環境保證金制度、環境風險應急管理體系等方面，提倡建立并完善中國頁巖氣開發環境監管法律法規制度。本文以頁巖氣開發中的水環境保護為核心，通過梳理中、美頁巖氣開發過程中壓裂返排液處置的相關政策及法律法規，提出中國頁巖氣壓裂返排液管理的對策。
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/產出水TDS及δ18O隨時間變化（b）
水力壓裂技術是頁巖氣開發的核心技術，水力壓裂操作過程需要在短時間內消耗大量水資源，開采過程中所需鉆井數量多、單井需水量大。一些注入的水力壓裂液會滯留在地層，但仍有5%～80%的注入水會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、化學殘留物和地層水、巖屑中的各類物質。頁巖氣開發產生的地表水污染主要是由成分復雜的壓裂返排液造成的。返排液由于與頁巖儲層的長時間緊密接觸，返排回地表時還存在著壓裂液組分以外的物質，如石油烴類冷凝物等有機物到附近水體，將會對地表水帶來污染。壓裂液中添加劑的溶解性化學成分也可能會滲入地下水，增加有毒有害有機物等溶解性化學物質對地下水污染的風險。
美國針對頁巖氣開發是否會造成地下水污染問題開展了大量研究，發現Marcellus頁巖氣井1km范圍以內的地下水中的甲烷含量遠高于1km以外的地下水；美國在懷俄明州頁巖氣開發區域的淺層地下、鹵水（高濃度的鈉、氯、溴化物和其他無機成分）和天然放射性物質等。返排液水質指標中的化學需氧量（COD）、懸浮物（SS）的含量常高于中國的GB89781996《污水綜合排放標準》中的一級標準限值，且此類廢水由于污染物種類多、鹽度大使得處理技術難度大、成本費用高，若不經妥善處理使返排液泄漏或排放水中檢測到壓裂液添加劑成分。因此，為了減少環境污染風險，保持頁巖氣產業的綠色可持續發展，必須對壓裂過程帶來的水環境影響問題進行有效管控。下文介紹美國和中國的監管方式及管理依據，進行對比和總結。
美國的監管權是由聯邦政府和州政府共同擁有，采用分級監管的方式。美國聯邦政府頒布的各項法律及規章條例中與水環境保護相關的主要有《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》利用國家污染物排放消除系統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水環境造成的影響。聯邦政府于2009年出臺了《壓裂責任與化學品意識法》，該法案進一步明確地下注入監控法規框架（UndergroundInjectionControl，UIC）中包含油氣開發中使用的地下注入物質和支撐介質，此外，要求相關企業公布水力壓裂液的化學成分，以監督和規范壓裂液中各類化學品的使用。
美國頁巖氣開發涉及的環境問題在相關聯邦政府機構批準的協定和計劃下，被下放到各州政府具體執行。若各州標準與被替代的聯邦標準具有同等保護性或為了達到本地環保要求而具有更高保護性，美國各州可以執行區域性、州級特性的法規標準。
美國各州在環境監管執行上具有特色鮮明、主動性大的優點，州政府和開發地區環境監管機構因地制宜地進行環境監管，提出適合開發區塊的具體監管政策規定，從而彌補聯邦法律中水力壓裂具體環節監管的缺失，一些州建立了更為嚴格完善、各自適用的監管法規、制度、標準體系。例如，美國有14個州要求頁巖氣開發商可在不泄露商業機密基礎上，在網站上提交并向民眾公開水力壓裂液的化學組成相關信息，其中，蒙大拿州和懷俄明州要求頁巖氣開發商主動公開使用的壓裂液化學物質含量。
美國各州、政府和頁巖氣開發商本著保護地表和地下水資源甚至能減少未來對淡水需求的原則處理返排液，通過遵循“減少、重復利用、再循環”的污染預防和控制原則，對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、回收利用和達標排放。
根據美國地下注入監控法規框架（UIC）的管理方案，其中，蒙大拿州和懷俄明州要求頁巖氣開發商主動公開使用的壓裂液化學物質含量。
據美國環保署報告指出，大部分II類注入井的液體是油氣生產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，若排放到地表水或土地表面會危害環境和公眾健康。
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Navigant咨詢公司報告，考慮到受地表污水處理的返排液運輸、處置和異地處理等成本和地質條件等環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區域都可以使用的，因為有些區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II類注入井。在紐約州和賓夕法尼亞州，獲得美國環保署和環保機構簽發的許可證才能通過深井注入來處理返排液。
返排液進行回收利用前需經過服務公司和開發商的評估，確定返排液的處理程度和所需補給水量。通常情況下，根據需要處理返排液的流量和總體積、需除去的成分及其含量、處理需達到的目標，以及回用、排放的要求，來決定現場處理設備和技術方法。
通常返排液處理到達到水力壓裂要求或能夠用作其他工業用水即可，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，美國建設了一些商業廢水處理設備，用于處理頁巖氣開發的返排液廢水。
雖然返排液的重新利用能節約用水量，減少其他處理方式需求，解決取水的相關問題，但為了提高利用返排液配置的壓裂液的性能和節約成本，美國開展研究以尋求新方法和技術來使返排液的回收利用成本更低。
在美國返排液含有需要進一步處理的污染物而無法排放到地表水時，服務公司將不得不轉移返排液到廢水處理工廠。美國工業廢水處理設施的運營商將根據處理設施的排污許可標準進行廢水處理，然后才排放到附近受納水體。
中國頁巖氣開發環境監管機構分為中央和地方兩個層級，中央監管職責權限主要歸屬于生態環境部、自然資源部、國家發展和改革委員會、國家稅務總局、國家財政部，地方監管依靠于各省地市級政府、地方環保部門和行業組織。
中國頒布的水環境保護方面的各項法律及規章條例中與頁巖氣開采相關的主要有《中華人民共和國環境保護法》《水污染防治法》《環境影響評價法》及《石油天然氣開采業污染防治技術政策》等。總體上，有關頁巖氣開發環境監管方面的環保法規標準零散分布在相關的法規條例中，沒有針對性解決頁巖氣開發過程中產生的特殊生態環境影響問題，如水力壓裂技術及其產生的高礦化度的返排液。
此外，從國家能源局關于《頁巖氣發展規劃（20162020年）》來看，中國雖然強調大幅度提高頁巖氣產量的同時要注重生態保護，但尚未從排污許可和總量控制的角度規劃頁巖氣產業環境保護政策。
中國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。總體上，中國和美國均通過回注、回用、外排這3種方式進行壓裂返排液的處理處置，但由于兩國管理依據各具特點，使其在執行中存在異同（表2）。
表 2 中、美頁巖氣開采壓裂返排液的管理特點
在壓裂返排液地下注入方面，美國依據聯邦法規層面的地下注入監控法規框架進行管理，中國主要依靠能源行業標準和油氣公司企業標準進行回注。中國要求頁巖氣開發中壓裂返排液回注目的層應當為地質構造封閉地層，一般應回注到現役油氣藏或枯竭廢棄油氣藏。
而回注處理的開采廢水應當依據能源行業標準NB/T14002.3 2015《頁巖氣儲層改造第3部分：壓裂返排液回收和處理方法》、石油天然氣行業標準SY/T6596 2016《氣田水注入技術要求》及油氣公司企業標準Q/SY01004 2016《氣田水回注技術規范》。
近年來，部分地區的環境管理部門對回注方式持謹慎態度，對回注處理方式提出了嚴格的環境監管要求。如，2019年12月發布的《關于進一步加強石油天然氣行業環境影響評價管理的通知》中提到涉及廢水回注的，應當論證回注的環境可行性，采取切實可行的地下水污染防治和監控措施，不得回注與油氣開采無關的廢水，嚴禁造成地下水污染；如，2018年2月頒布的《四川省頁巖氣開采業污染防治技術政策》提出“對采取壓裂返排液回注處理方式的，應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，確保環境安全。依托的回注井相關手續須齊全，運行監控管理制度須健全”。
部分地區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行業環境保護指導意見（試行）》中首次對廢水處置提出“壓裂返排液回用于配置壓裂液，回用不完的，應處理達標后進行排放，嚴禁偷排漏排、稀釋排放或回注”。
中國在壓裂返排液回用方面主要依照能源行業標準及地方產業政策，而美國壓裂返排液的回用主要依據商業市場需求。
目前，國內先后出臺多項環保技術政策以規范石油天然氣開采業的水污染防治。根據大量的現場工廠化應用數據，2015年，國家能源局出臺N-B/T14002.3 2015《頁巖氣儲層改造第3部分：壓裂返排 液回收和處理方法》，規定了壓裂返排液等廢水回用處理后水質要求。
2018年，發布《四川省頁巖氣開采業污染防治技術政策》，明確指出鉆井廢水和壓裂返排液應優先進行回用，平臺鉆井廢水回用率、平臺或區域壓裂返排液回用率均應達到85%以上。
在建設四川長寧威遠國家級頁巖氣示范區過程中，中國石油集團注重加強循環利用壓裂返排液來減少用水量，采用平臺內回用和區域平臺內回用的方式，減少壓裂施工的清水取用量和返排液外運處置量，符合2018年發布的《四川省頁巖氣開采業污染防治技術政策》中“壓裂返排液回用率應達到85%以上”要求。
中國尚缺乏針對頁巖氣開采行業的廢水排放標準。中國處理后外排，指返排液經污水處理廠處理后能夠滿足相應水質標準指標限制等要求。壓裂返排液回用率通常達不到100%，特別是當排放期并不是井場壓裂作業時期，而貯存池無法滿足大量返排液長期存放至回用，就會造成大量亟待排放的壓裂返排液。
從環境管理、政策導向等方面來看，回注不利于環境管理，只是暫時控制了污染，沒有從源頭根本上消除污染，國家和行業層面更倡導支持科技創新，要求返排液達標排放，更有利于對其進行嚴格的環境管控。
目前，國內某些地區返排液達標排放要求滿足GB89781996《污水綜合排放標準》一級標準排放限值，在該標準中未明確壓裂返排液所歸屬的污水行業類型，也未給出對于頁巖氣開采行業的污水排放標準限值要求。
隨著國家對生態環境保護要求的提高，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要求對區塊壓裂返排液采用集中處置和深度處理以滿足排放標準。
此外，壓裂返排液排放前須取得了環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生的結晶鹽須交由有危廢處置資格的企業進行了處置。
2018年，四川省發布《四川省頁巖氣開采業污染防治技術政策》，指出區域有集中處理條件的，可納入集中式污水處理廠處理；區域無集中處理條件的，可自行處理達到相關標準后排放，其中，對氯化物的管理可以參照GB50842005《農田灌溉水質標準》中的有關規定。
目前，還沒有準確的頁巖氣開采行業廢水排放標準，各級各類標準及規范性文件中也尚無對壓裂返排液外排中氯化物含量限值的確切規定。
頁巖氣鉆井廢水特點
返排液具有產量變化大、成分復雜、不穩定性、難降解、高COD、高TDS、高硬度等特點。
壓裂返排液外排處理技術
達標外排處理技術必須包含去除SS、油類、COD、氨氮、硬度和TDS，而難點和重點在于將高TDS從水中分離，以達到外排標準。
根據外排水標準，外排處理包含氣浮、催化氧化、軟化沉淀、超濾、提濃、蒸發結晶和深度處理等工藝，該工藝不僅能達標外排，還能將返排液中的NaCl作為產品提出。分離出的NaCl可作為化工原料和畜牧用鹽，達到了有價物質資源化的目的。達標外排工藝中的深度處理裝置主要針對采用不同的膜提濃工藝或不同蒸發工況造成不達標而增加的，但需根據不同的水質設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；如蒸發結晶在堿性條件下蒸發，氨氮進入冷凝水，需增加脫氨氮裝置。由于壓裂返排液達標外排標準較高，處理工藝較為復雜，流程較長，所以宜將返排液收集建污水廠集中處理。
文章轉載自 廣東環美MVR蒸發系統，如有侵權，可聯系我們刪除
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