互动科普

圣罗莎的居民只要按下马桶的冲水键，就可以得到一点照明补贴——在美国加利福尼亚州的这个小镇，厕所的冲水已经用来发电。

圣罗莎和卡尔平能源公司是全球最大的污水地热发电计划的合作伙伴，他们利用城市污水生产清洁的电能，不仅改善了人类的居住环境，也改善了鱼类的生存环境。对这个小镇来说，这种合作不仅让它不用再为向俄罗斯河（Russian River）排放废水而交纳罚金，还节省了新建污水处理站需要的4亿美元。对卡尔平能源公司来说，这种污水处理模式可以让过度使用的地热蒸汽田得到恢复。

圣罗莎的间歇泉回灌工程每天通过长达64千米的管道， 把4.5万立方米处理过的污水从城市抽到山顶，然后回灌到地下2.4千米深处的蓄水层。蓄水层下的热岩将这些水加热成蒸汽，再由管道将蒸汽送入地面的发电涡轮机。圣罗莎附近的莱克县也有一个每天循环利用3万立方米污水的电站。这两个电站加起来有200MW的发电能力（相当于一个中等规模的电厂）却不会排放温室气体或其他污染物。一些电力还被输送到达莱克县以南110千米的旧金山。

奥巴马政府宣称地热能是一种清洁能源。按照美国能源部的说法，到2050年，地热能技术可提供美国10%的电能；另一些机构的估算甚至更高。为了达到这一目标，各地的新钻井计划中不得不考虑提取地热蒸汽而引起的小型地震效应。确实，卡尔平地热电站附近的居民开始抱怨地震越来越频繁，他们担心建造单独的地热电站会使问题进一步恶化。

不过，圣罗莎工程部的副总监丹·卡尔森（Dan Carlson）说，地热电站可以为圣罗莎带来很多益处。与卡尔平公司合作为似乎无法应付的城市问题提供了一个创造性的解决模式。另外一些公司也正在积极探索地热能的利用方式。卡尔森说：“每个公司的解决方案都有独到之处，问题在于找到一个合适的利用模式。”

循环利用

地热发电消耗的蒸汽量远远大于地热蒸汽田的自然恢复能力，将城市废水注入到蒸汽田可以恢复生产，并避免城市废水向河流湖泊排放。

在圣罗莎，可以利用的资源只有间歇泉——岩石结构中可以漏出蒸汽的孔隙，其实叫它们喷气孔更合适。从圣罗莎小镇可以清晰地看到，岩石中的蒸汽喷向梅亚卡玛斯山边，但直到最近，这也仅仅是一道风景。1993年，圣罗莎面临着被政府勒令暂停建设的危机，因为小镇上未经处理的污水排入了濒危生物银鲑鳟鱼和虹鳟的产卵场地——俄罗斯河。政府官员急于寻找一种符合环境要求并且负担得起的废水收集和处理系统。在梅亚卡马斯山的另一侧，莱克县政府也收到了类似的命令：停止向加利福尼亚最大的淡水湖明湖排放不合格污水。尽管处理过程达到了法定标准，这些污水中仍然含有对水生生物有害的营养物。

位于两个城镇之间的高山上的卡尔平公司负责地热计划的官员们也陷入了困境。地热发电消耗的蒸汽量远远大于地热蒸汽田的自然恢复能力，卡尔平地热电站已经没有地热蒸汽可以利用了。因此，该公司负责人正在寻找一种水资源，可以注入到蒸汽田并帮助其恢复生产。

卡尔平公司、圣罗莎和莱克县用了一个简单方案处理了它们面临的三个问题：将城市污水送到需要它们的地方。目前，世界上第一个和最大的重复利用水循环发电电站分别坐落在莱克县和圣罗莎，并且这两个电站都准备扩建。莱克县计划将电站的管线延伸到明湖以外，便于收集来自拉克波特和其他地区的废水。圣罗莎和邻近的温莎镇已经于2008年11月签署了30年的协议，允许温莎镇每天向圣罗莎的管道中排入2 650立方米的污水。

圣罗莎和莱克县的政府都为他们电站工程所带来的环境效益而感到骄傲，也对电站监管和它带来的稳定经济效益很满意。“这是正确的商业决策，”卡尔森说：“如果我们可以提供更经济的解决方案，将有助于双方共赢。”

地热发电发源地

间歇泉最初是旅游圣地，后来成为美国第一个地热电站的建成地。

圣安德列斯断层地热系统东部的一些间歇泉嘶嘶地冒蒸汽已经有数千年历史，但是由于多年的过度开采，这些间歇泉已经看不到蒸汽了。一个在地面8千米以下的岩浆房（magma chamber）加热其上部的砂岩层。被困在砂岩层中的水被加热成蒸汽，经过细如发丝的裂缝通道，从岩石层顶部逸出。

1847年，作为一个大型调查小组的成员来到此地的威廉·贝尔·埃利奥特（William Bell Elliott），把这些蒸汽田称为间歇泉。他发现的实际是喷气孔，而不是把热水喷射到空中的喷泉现象。但是埃利奥特不恰当的用词还是吸引了大量游客来此参观，包括J·P·摩根（J. P. Morgan）、美国总统格兰特（Ulysses S. Grant）和罗斯福（Theodore Roosevelt）。到20世纪30年代，一系列酒店火灾、泥石流和迫近的战争使得这一地区旅游业陷入停顿。

观光者浸泡在蒸汽中的感觉就像“沸腾的天使”（boiled angels，美国漫画家迈克·戴安娜在20世纪90年代早期创作出版的漫画单行本，作品包含了许多宗教禁忌和血腥场面描绘）。1921年，约翰·D·格兰特（John D. Grant）在这些间歇泉附近建成了美国第一个地热电站。虽然经历了管道爆裂和钻井故障，格兰特最终成功生产出了250千瓦电力——足以供间歇泉度假村的建筑和街道照明。直到1960年，技术的进步才使得大规模的商业化地热发电成为可能。太平洋天然气和电力公司利用钻井和管道深入岩石，从源头提取地热蒸汽，通过这种技术开始运营11MW的电厂。上世纪七八十年代，另外一些公司建造了更多电厂。1987年，间歇泉的装机容量达到峰值：2000MW，足以供200万家庭用电。卡尔平公司从1989年进入地热产业，如今已经运作了21个间歇泉地热电站中的19个，公司开发了陡峭山坡上成百个蒸汽井，占地100多平方千米。

用尽的蒸汽

管线通过城市、森林和保护区将城市废水引向山顶进行处理，再注入地热蒸汽田。管线布置经过精心设计，不会破坏环境。

所有这些钻探和提取，都让地热蒸汽田付出了巨大的代价。降水渗入砂岩层的速度不能满足砂岩层正常的储水需求。1999年，地热田的生产能力急剧下降，迫使卡尔平公司寻找水源注入地下。耗资2.5亿美元的圣罗莎工程在莱克县工程西边，它在海拔高度上离蒸汽田更远，面临更严峻的技术挑战。为了把废水从圣罗莎引入蒸汽田，管线在梅亚卡玛斯山上爬升900米之前，不得不从地下穿越城市街道、住宅区和空地。

工程师尽量使管线布置不引人注意。圣罗莎间歇泉工程的一位协调员迈克·谢尔曼（Mike Sherman）说：“这里是一个有环境意识的社区，我们全都是这项工程的监督员。”管线沿着城市拉古纳处理厂出发，沿着一条公路铺设，延绵64千米，通过了野生苹果树林，当管线上方的公路开始向山坡上爬时，红树皮的浆果鹃（madrone）林和巨大的峡谷橡胶林取代了苹果林。这里的大部分地区都被加利福尼亚奥德邦组织列为野生动物保护区。

一条陡峭的单线车道通往山顶，这里放置着一个三层高的深绿色水箱，外形和普通市政水箱一样，其特别之处在于：里面装的是3 785平方千米污水。这些污水都已经经过了三道处理过程：在沉淀池中除去油类和其他杂质的物理处理过程；分解有机物，除去营养物和其他化合物的生物处理过程；除去剩余有机体和寄生虫的沙或活性炭过滤过程。经过上述方法处理后的水，再通过紫外线杀死残留在其中的细菌。

卡尔平公司每年花费价值250万美元的地热电力，将处理后的水抽到山顶，这些水先被储存在水箱中，然后被注入梅亚卡玛斯峰东部的地热蒸汽田。水箱周围的山坡上，灰色的松树林一直向下延伸到山谷中，树林中的管道在阳光下闪闪发光。冒出地热蒸汽的地方离电站800米，蒸汽推动涡轮机，然后通过锥形冷却塔冷凝成水，再回灌到地下。世界上最大的地热发电厂，如果不是微风中传来嗡嗡作响的引擎声，简直就是一派超现实的田园风光。

地震之忧

废水注入地热田引起小型地震增加，引起附近居民的担忧，导致地热工程增扩计划受到居民反对而一度停止。

然而，对于生活在蒸汽田周围30千米内的居民来说，这场景决不是田园牧歌。自从卡尔平公司将处理水回灌到地下，当地的居民感到地震越来越频繁。从2003年以来，间歇泉周围的地震次数增加了60%。离电站不到1.6千米的安德森温泉社区，已经记录到了2 562次震动，包括24次4.0级以上的地震。自1939年以来就居住在间歇泉附近的旧金山大学退休教授汉密尔顿·赫斯（Hamilton Hess）说，大部分震动不会引起破坏，但也有少数震动可以使柜子上的物品落下，甚至破坏建筑物的地基。其他居民也抱怨说，频繁的震动已经不止是讨厌了，安德森温泉社区联盟的总裁杰弗里说：“地震时，你可以听见山谷里的隆隆声，就像你房间的地下发生了爆炸一般。”

2009年，安德森附近的居民发现他们将面临更多的地震，因为间歇泉蒸汽田之外正在建设一个试验工程，但该工程距离安德森温泉仅3.2千米。由于那里没有浅层地热活动，总部位于美国索萨利托的阿尔塔岩石能源公司，开始钻探超过3 200米深的钻井，钻破热基岩（hot bedrock），并向裂隙中注水产生蒸汽。

瑞士巴塞尔一个类似的“增强地热”工程引起了3.4级地震，震级虽然不大，但是造成了800万美元的损失。阿尔塔岩石能源公司的官员说，莱克县的地热钻探工程在基础地质和距离大断层的位置方面都与巴塞尔工程有所不同，而且使用的钻探技术也是巴塞尔所不能及的。不过，当地的居民引证阿尔塔岩石能源公司环境分析中的错误和意外，继续表示抗议。

科学家早就知道，从地下被岩浆加热的岩层中提取蒸汽会使岩层冷却，导致岩石收缩。美国地质勘探局（U.S. Geological Survey）的地震学家戴维·奥本海默（David Oppenheimer）解释说，为了适应这种收缩，岩石会通过小型地震来改变形状。提取蒸汽腾出的空间也会凹陷，造成进一步震动。

主管圣罗莎污水处理工程的官员预测，地震活动会有所增加。不过市政府决定继续实施污水处理工程，因为解决污水危机和产生清洁电能可以带来更多的利益。这并不能给常年居住在间歇泉附近方圆32千米内的500多居民带来太多安慰。“那是圣罗莎市的污水，他们又感觉不到这些地震，”赫斯抱怨说。

圣罗莎和莱克县的扩建计划引起赫斯和其他许多人的担忧。在更多的区域注入更多的水会不会最终引发一场“大地震”？奥本海默解释说，这不太可能。扩建生产井更趋向于增加震级不到2.0的地震，8.0级的大地震需要一个大断层，而间歇泉附近只有较小的裂隙。奥本海默说，30多年来，发生过最大的地震为4.5级。

但是，阿尔塔岩石能源公司的计划引起了人们对发生更大地震太多的担忧。2009年7月，美国联邦机构提出禁止这项工程，直到有科学的方法能够消除地震风险。面对不确定的未来，2009年12月，阿尔塔公司宣布放弃这次计划。今年1月美国能源部又对增加地热工程提出了新的保障措施。

扩大优势

圣罗莎和莱克县利用污水发电为推广使用地热资源提供了很多经验。

圣罗莎和莱克县利用污水产生200MW的电量，每年相当于减少了907吨的温室气体排放——相当于一个同等规模的燃煤发电厂每年的排放量。这两个城市和附近地区的居民也不再向俄罗斯河和明湖排放污水，而且不必再新建存储池和污水处理设施。另外，由于卡尔平公司是在利用污水，而不是从俄罗斯河中取水（公司仍然有河水使用权），湖中的鱼类也获得了更多的淡水。

对于那些希望在全美范围内推广使用地热资源的企业家和科学家来说，卡尔平公司提供了很多经验。但是，美国康奈尔大学可持续能源研究中心教授杰斐逊·W·特斯特（Jefferson W. Tester）主持的一项研究指出，阿尔塔公司的遭遇有可能减少人们在没有间歇泉表面活动的区域钻深井开发深层地热的兴趣，哪怕深层地热在美国就能够产生超过10万MW的电量。2009年5月，奥巴马政府拿出3.5亿美元用于地热能开发，其中包括0.8亿美元用于增加了的地热发电工程。

对于许多缺少足够的水源去注入热岩但仍有利用潜力的地方，间歇泉的这些电站仍能激发人们的灵感。卡尔森说，它们已经证明经过处理的污水替代淡水进行蒸汽发电是可行的。当然，安全问题还有待进一步研究。但他对污水发电工程非常乐观：“当地居民可以从中受益，环境可以得到保护，而且全世界的人都可以用这种方式去改进他们生存的环境。”