危险废物处置现状及采空区储存可行性研究

石长岩，宋建村

(1.中国有色集团沈阳矿业投资有限公司，沈阳 110014；2.中国有色集团抚顺红透山矿业有限公司，辽宁 抚顺 113321)

随着我国经济的发展与工业化水平的提高，产业结构的多元化，工业固体废物的产量也呈现出迅速增加的态势，其中，危废物的种类也变得越来越复杂。据统计，目前国内年产危险废物已超过8 000万t，近几年年均增长20%以上。危险废物比一般固体废物的毒害性更大，会对生态环境和人类健康造成严重危害，其对环境污染具有复杂性、滞后性和不可恢复性等显著特点，污染后果难以预测，处置难度大，因此一直是世界各国固体废物管理的重点和难点。

按照《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》定义，危废处理包括三种情形：一是贮存，是指将固体废物临时置于特定设施或者场所中的活动；二是处置，是指将固体废物焚烧和用其他改变固体废物的物理、化学、生物特性的方法，达到减少已产生的固体废物数量、缩小固体废物体积、减少或者消除其危险成分的活动，或者将固体废物最终置于符合环境保护规定要求的填埋场的活动；三是利用，是指从固体废物中提取物质作为原材料或者燃料的活动。本文重点探讨贮存(储存)或处置两种情形。

对于危废物的处理，首先是要立足于资源化利用，以实现源头减量化的目标。对于不能实现资源化利用的，则采用预处理(减毒)、固化、填埋、焚烧等物理化学方法进行处理。当前，将焚烧和填埋两类方法作为最终的处理手段，其中，填埋法更是被广泛采用。

尽管散见文献资料提及国外利用矿坑(洞穴)等方法进行废物处理的少量实例，但缺乏深入系统性探究，在国内相关研究和工程实践基本处于空白。本文针对工业生产领域，以利用采空区储存危废为技术路线，提出有别于“焚烧法”和“填埋法”两大类处理方法的“硐藏法”这一新方案，通过系统性分析，结论是可行的。

1 危废物及处理现状

1.1 危废总量情况

据前瞻产业研究院统计分析，2012—2018年，国内危险废物的排放呈现逐渐增长的态势，2018年达到8 400万t(参见图1)。据E20环境研究院等机构预测，到2020年，我国危废产量或将达到1亿t。

图1 我国工业危险废物总量情况统计图(2012—2018年)Fig.1 Statistics of total amount of industrial hazardous waste in China

1.2 危废处置状况

据2015 年《环境统计年报》，全年共计综合利用危险废物 521.9 万t，处置危险废物 509.8 万t(其中，采用填埋方式处置 90.3 万t，采用焚烧方式处置 166.6 万t)。全国共调查统计危险废物集中处理(置)厂(场)866 座。据《危废处理行业2018年度发展报告》，2016年危险废物实际经营规模为1 629万t，其中，利用危险废物1 172万t，处置医疗废物83万t，采用填埋方式处置危险废物86万t，采用焚烧方式处置危险废物110万t，采用水泥窑协同方式处置危险废物43万t，采用其他方式处置危险废物112万t。

1.3 危废处理基本方法

根据《危险废物处置工程技术导则》，危废无害化处置技术可分为预处理技术和最终处置技术，其中：预处理技术包括物理法、化学法和固化/稳定化等；最终处置技术包括焚烧、非焚烧及安全填埋等。从现实成熟应用的角度看，一般认为对危险废物的“最终处置”大致有以下几种途径：一是资源化利用；二是焚烧；三是填埋。

毫无疑问，理论上资源化利用无疑是首选的最佳方案，但是受诸多条件限制，实际应用有相当大的难度，不可能解决全部问题。焚烧法相比于填埋法有突出的优点：能够节约大量土地资源；实现减量化，无害化程度高；焚烧后的废物容积可以显著减少；处理过程中还能够提供大量可利用热能；可以回收重金属等。

但焚烧法也存在明显缺点：一是投资大、回收期长、运行费用高，整体上也不够经济；二是焚烧过程产生大量的酸性气体和未完全燃烧的有机组分，由于焚烧工艺缺陷或操作不当影响，尾气可能产生少量二恶英等有毒气体，这些都会造成一定的环境风险。此外，焚烧过程中产生的飞灰、炉渣和底灰中还残留不能处理的重金属物质(危废)，必须进一步再处理——往往还需要采取填埋方式进行“收尾”。从结果上来看，该方法的“最终”仍然具有相对性。

另外，还有水泥窑协同处理这一热门的方法。该方法实质上相当于“焚烧法+资源化利用+残留危废填埋”的混合技术集成，因而也不是完全的最终处置。

作为一项危废最终处置技术方法，填埋法似乎更显得“名副其实”。该方法，实质上是以环境对危废物的容忍度——可接受的环保风险为前提的一种“空间物理隔离”方法。与焚烧法相比，具有适应性强、技术难度小、处理量大、实施相对容易等突出优点，因此也成为应用广泛的危废处理方法。

2 填埋法的局限性分析

尽管危废填埋处置方法具有一些明显的优势，但其除了需要占用大量土地之外，还存在以下明显的不足。

2.1 选址困难

在2017年全国“危险废物熔融处理技术与标准研讨会”上，中国环境科学研究院研究员董路指出：目前危废填埋场选址没有考虑长期环境风险和极端灾害影响，设计普遍没有体现危险废物填埋技术的自身特点。

危废填埋场地的选择，既受到周边区域环境的影响和制约，同时也必须满足较为苛刻的工程地质条件。在重视生态文明的大背景下，环境的包容度越来越低，即使是一般固废处置场所的选址都受到越来越多人的关注，往往受到当地居民的反对，对于危废填埋场地的选择势必更加困难。仅就技术条件限制而言，选择适宜的场地也是非常困难的，需要人工衬层等强化措施。在南方，地下水水位很高，山区泉水丰富，还有喀斯特地貌地区，选址更加困难。

2.2 入场对象严格受限

在国内法律框架内，必须按照《危险废物填埋污染控制标准》等规范要求，待填埋的危废必须经过检验，符合“入场”标准后，方可实施填埋，否则必须事先进行减害(降毒)的预处理。现实情况是，相当多的原生危废物不能达到“入场”标准，使得复杂的预处理几乎成为危废填埋前的必需程序，不但增加企业处理成本，而且使得该项技术的经济性和操作简易性大打折扣。如采用固化预处理方式，势必增加危废处置费用，增加入场总量，缩短填埋场使用寿命。此外，该方法不适于处理液态型危废。

2.3 后期风险性突出

关于填埋场危废液渗透风险性的研究一直是行业关注焦点，但相关研究对风险的认识程度远远不够。武汉科技大学向锐、雷国元等研究指出：国内外诸多学者采用多种方式证实渗滤液及其组分的产生和泄露对生态系统和人类健康会产生不利影响。然而，上述研究所采用的土工膜老化参数都是基于室内老化试验，对于实际填埋场环境下材料老化和缺陷演化规律，及其对填埋场长期渗漏影响的研究鲜见报道。大部分研究均针对“年轻”填埋场，未考虑填埋场核心材料老化对渗漏和长期污染风险的影响。

2.3.1 防渗层渗漏风险几乎不可避免

高密度聚乙烯(HDPE)土工膜作为防渗衬层的核心材料，本身是很脆弱的。采用填埋方式，铺设防渗层时，不可避免造成材料的破损，而且在危废物多次倾倒堆存过程中，往往利用大型设备，采用散装碾压方式，极易造成防渗层的二次破坏。如果不注意规范填埋作业，防渗层受到破坏的几率是非常高的，加之缺乏科学的阶段验收技术，使得施工质量难以保证。与此同时，防渗层本身容易受到自然环境(风霜雨雪)和气候(四季温差)的变化影响而加剧老化，防渗层破损风险将进一步加大，在堆场整个运行期间，都伴随着渗透液释放的风险。

中国环境科学研究院固体废物污染控制技术研究所从2008年开始，利用自行研发的填埋场防渗层渗漏检测技术，对10个省市30余家生活垃圾及危险废物填埋场防渗土工膜(HDPE膜)完整性开展渗漏检测调研工作。通过调查发现，所有填埋场防渗层均有严重的渗漏现象，对周边地下水的环境造成了严重污染[1]。除施工期间出现的防渗层破损造成有害物渗透外，由于处于露天堆存环境，雨水的冲刷、地表水和地下水的浸泡以至复杂的物理化学作用势必加重渗滤液产生的危害，因此填埋场出现二次污染问题几乎是难以避免的。

2.3.2 防渗层寿命的相对性

危险废物没有稳定期，其危害特性是长期存在的，而填埋场的建筑材料和防渗材料是有寿命的。影响防渗材料寿命的因素多且复杂，开展实证研究的资料极少，有学者指出：“负责任的厂家也只能保证30～50年有效期”[2]，百度检索结果是“使用寿命达50～70年”，这些只能作为一般使用环境下的大略参考。显然，填埋场铺设的防渗材料使用寿命的“有限性”，无法满足危废物储存年限“无限性”的客观要求，直接对填埋方法的“最终性”提出严峻挑战。

2.3.3 二次渗漏极难监测

由于缺乏可靠的渗漏在线监测设施，现行的标准提到的监测井等措施，也往往很难及时发现渗漏的问题。尽管有针对渗漏情况进行定位的专题研究以及技术方法，也难以在实践中可靠地指导漏洞的下一步修补工作。

2.3.4 渗透污染极难治理

采用地表填埋方式，一旦渗透液流出，势必即时对周边土壤造成污染后果，由于渗透影响因素的复杂性，以及渗透情况监测的难度，必将导致对渗透问题的应对只能是滞后的，而处理方法的选择同样也将是非常困难的。有研究指出，对填埋场运营过程中发现的渗漏点进行封堵是一个世界难题，目前的封堵技术主要有：往堆体内加液氮、在膜下挖掘隧道、钻孔后往孔内注特别的封堵液等，其费用高、技术难度大，难以实施[3]。

即使有可行的技术方法，面对已堆放十数年、几十年体量巨大的危废填埋场，实施起来必定十分困难，处置过程中的渗滤污染无疑会进一步加重，付出的代价也将是高昂的。有分析估算[4]，已建填埋场造成的污染土壤和地下水的修复费用将高达1 000亿元。

由于当前危废处理面临上述一系列的突出问题，使得填埋这一主流的“最终处置”方法存在难以解决的巨大环境风险。而发生概率很高的风险不确定性，必然严重制约该方法的进一步推广，一旦出现危废液的大范围、大规模渗漏，并造成污染后果，如何处理将成为一道很大的难题。

我国于1993年在深圳建设了第一个危险废物安全填埋场，2008年开展的上述调查(不包括该填埋场)距此仅仅十余年的时间，调查研究所揭示出的渗漏现象就如此普遍，问题不可谓不严重。由于国内应用危废填埋处理技术时间较短，严重的渗透带来的二次污染问题极大可能尚未充分暴露，必须正视潜在的风险性隐患。当前，我国针对危险废物填埋标准的修订，提出“无限期维护”的要求和“有限存放”“设计寿命期”等理念，这些与上述风险性的认识无疑是高度契合的，因而是非常必要的，也在一定程度上说明，寻求更先进可靠的危废处置新路径是十分迫切的。

3 采空区储存危废可行性分析

据《金属非金属地下矿山采空区事故隐患治理工作方案》，到2015年底，全国金属非金属地下矿山共有采空区12.8亿m3。考虑到每年都会有大量的新增采空区(按每年开采矿石量50亿t，折合采空区估算超过15亿m3)，总量是极为庞大的。当前，直接利用此类采空区作为危废储存场所难度大，并不适宜。与此相对应的，还有巨量的为采矿活动提供辅助条件而开凿的巷道以及硐室等空间，可以视为广义的采空区(即巷道-硐室型空区)，这一类型空区作为危废储存场所具备良好的条件。

巷道-硐室型空区，具有空间(断面)尺度小的显著特征，稳定性好，大范围大面积垮塌风险极小，即使存在不稳固问题，也可以采取简单的局部支护方式解决。国内有众多井工开采老矿山，在整个生产服务期内，随着开采深度的不断下降，各矿山上部大量的此类空区都处于自然的废弃闲置状态(参见图2)，将其作为储存危废空间(即“硐藏法”)，具有填埋法无法比拟的优势：一，可利用空区地域分布广泛，容易获取，不需另外占用宝贵的土地资源；二，最大限度管控二次污染的风险，具有极高的安全性；三，对危废处理，实现由最终舍弃为导向的“静态填埋”向长久利用为导向的“动态储存”转变，为未来资源化再利用“变废为宝”创造极为有利的条件。

图2 井下矿山可储物巷道(硐室)Fig.2 The tunnel(chamber)in underground mine

在我国，前核工业集团某所曾利用废弃的铀矿成功储存了退役的核废料[5]，此外尚未见采用硐藏法存储危废的应用实例。国外部分国家较早就开始利用地下天然洞穴或人工开凿硐室进行核废料或危废的处置，相关专题的科技文献较少，本文根据研究资料[5]，对国外该领域部分成功应用实例进行整理，参见表1。

表1 国外危废及核废料地下处置场情况一览表

此外，另有研究表明，自2013年起美国“深井灌注”法处置危废量的占比就稳定在70%左右[6]；德国萨克森州建有“地下深层填埋场”[7]。

3.1 硐藏法的基本思路

首先选择趋于稳定、没有断层裂隙水影响的巷道(硐室)，进行清理改造，重点使顶板稳定、帮壁平整，在底板埋设渗水管，上部安装通风管路(与矿井通风系统相联)，建设滤液收集池等配套设施。然后，利用“桶”或“袋”将待处理危废进行封闭包装，运至储存场地，在巷道(硐室)周边，按照设计将危废包装规范地堆放，需要时可以采取分层、分排或分区(分组)等方式灵活堆存。预留人员现场巡检管理、处置空间。区域内同时安设温度、湿度以及视频头等实时监测监控仪器和设施。

3.2 技术可行性

3.2.1 地质条件优越

巷道空区都有硬岩基底并且全空间可视化暴露，容易选择岩体稳固、条件适宜的区域，作为危废物的储存场所，在地质条件评价的可靠性上要远远优于一般的地表填埋场。

3.2.2 风险性可控

针对需要重点关注的危废液渗漏风险，采用硐藏法堆存方式，危废处于敞开式状态，因此更容易发现管控危废液渗漏问题，与填埋法只用少量监测点的封闭式监控方式相比，无疑具有明显的优势，风险可控性更强。

3.2.3 管控可持久

采用硐藏法堆存方式，在整个矿山的生产服务期内，可以很方便地借助生产系统，实现对储存危废的管理，即使采矿活动终止，也可以通过有限度保留、维护原矿山部分开拓、运输(提升)设施或系统，来继续为危废物的堆存和管理服务。对采用平硐开拓方式的矿山，实施起来则更为便捷。

3.3 风险可控性分析

硐藏法是否可行，其关键的决定性影响因素是风险的可控性，最主要的风险就是危废液渗滤问题。相比较地面填埋方式，硐藏法的风险性则要小得多，具有明显的优势。

3.3.1 渗透液产生可能性极大降低

采取“硐藏”方式，因为全部采用小包装，无论是液体、散状干粉还是含水固态物，人工配合机械作业，极大降低包装物防渗层的破损的可能性(即使有破损也可以及时发现及时处理)，针对特殊敏感对象，还可以采取多层包装多重防渗等措施，可以消除运输过程中的散落污染环境风险。与此同时，当储存空区处于一定深度后，硐室环境(温湿度)本身处于恒定状态，存放的危废物不再受外界雨雪和温湿度变化等因素影响，防渗层的寿命将极大延长，基本不会产生废液问题。

3.3.2 渗透液的可控性极大增强

采取“硐藏”方式，便于对围岩采取全方位的有效防渗措施，在有限的空间范围内，各种监测监控设施齐全，不受大气环境影响，时时可靠受控。一旦发生渗透，多重管控手段可以确保第一时间发现，少量的渗透液可以进入收集池暂存，然后清理或再次包装重新存放，不会污染周边岩体和水体环境，及时化解风险。

3.4 实施的便易性

因为作业空间在地下，相较于地表填埋场的选址，在气候环境方面考虑因素要简单得多。只要满足地震烈度要求，排除灾害性冲击地压风险一般的，选择闲置不用、不需要回填、岩体致密、断裂不发育(没有涌水和渗透水)、周边围岩稳固的巷道(硐室)即可，对金属非金属矿山而言，能够满足条件的巷道(硐室)是足够的。

对已经确定作为储存危废的巷道(硐室)，可以很方便地按照设计，规范进行各类工作改造，以达到“适用条件”。对各类危废无论是液体还是固体，同样都能够很方便地选择合适材质的承装容器(桶)或包装物(袋)，以满足运输和存放要求。根据具体条件，既可以采用人工包装也可以采用机械(甚至生产线)自动包装，承装桶或包装袋可以依靠既有矿山的开拓、运输系统，通过平硐、斜井、竖井或斜坡道等通路，借助中段巷道送达到指定堆放场所，进行规范储存。

3.5 经济合理性

据研究资料表明，2013年，我国危废处置业务平均价格1 500元/t左右。根据中国环联发布的危废处理行业2017年度发展报告中预估，我国2015/2016年危废填埋处理费用一般在2 000～4 000元/t。可以预见，随着环保管理的不断严格，危废处理的成本费用将呈现持续增长的态势。按照《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》第65条：“重点危险废物集中处置设施、场所的退役费用应当预提，列入投资概算或者经营成本”之规定，其成本将进一步增加。

与填埋法相比较，综合考虑工程施工以及运行管理等因素，硐藏法整体上的处理成本更加可控，应当是可以接受的。从长远的未来发展考虑，随着科技进步，用硐藏法储存的大量危废，有朝一日被重新开发利用，将创造出巨大的经济和社会效益。因此，相比较而言，经济(成本)合理性本身已经不是影响硐藏法方案可行性的决定性因素。

3.6 合法性

硐藏法是否可行，不仅仅是技术问题，还需要面对法规的检验。从创新发展和科研试验角度看，在我国目前法规框架下，是完全有法可依的。

《环境保护法》第七条规定：“国家支持环境保护科学技术研究、开发和应用，鼓励环境保护产业发展，促进环境保护信息化建设，提高环境保护科学技术水平”。《固体废物污染环境防治法》第三条规定：“国家鼓励、支持采取有利于保护环境的集中处置固体废物的措施，促进固体废物污染环境防治产业发展”；该法第六条同时规定：“国家鼓励、支持固体废物污染环境防治的科学研究、技术开发、推广先进的防治技术和普及固体废物污染环境防治的科学知识”。《危险废物经营许可证管理办法》第五条规定：“鼓励危险废物产生单位自建危险废物利用处置设施，并对外提供经营服务”；该法第三十九条(及第四款)规定：“以技术研发、验证为目的对危险废物进行利用或者处置”免于领取危险废物经营许可证。

上述法规相关规定，充分体现了“创新型国家”的战略导向，特别是“可以免于领取危险废物经营许可证”的特殊规定，根本上解决了“硐藏法”此类研究的合法(合规)性问题。

4 结论

随着社会的不断进步，危险废物处理问题的迫切性将越加凸显，在资源化优先的大原则下，所谓“最终处置”的填埋法，其弊端将进一步凸显，行业发展趋势必将是最大限度使废物进入再利用经济循环。因此，寻找更优的处理方法，实现“最终处置”功能与“资源储存”功能的有机统一是时代发展的客观要求，而“硐藏法”正是一个极具前景的研究方向。

近期，中国科学报专题报道杨春和院士领衔攻关，成功在国内建成运行第一座油气地下“盐穴储库”的事迹，杨院士专门提到创新的艰难：“想法一经提出，业内一片哗然，反对声不绝于耳”。“硐藏法”等一些非传统方法需要面对的最大难点，可能同样是观念问题，除此之外，该方法的应用研究与实践，还涉及到环保、采矿、岩石力学等多学科领域，如何科学组织科研力量也同样是一个需要认真对待的现实问题。

作为创新型国家，有理由相信，在不远的将来，井工硐藏法甚至是“封闭包裹法”等处理危废新方法，将作为工业环保领域一项极具前景的重大基础研究方向，成为行业发展热点。