松嫩盆地北部林甸地熱田供暖尾水處理試驗

李永利，于長生,2，姜智超，商 潔，張麗華

（1.黑龍江省生態(tài)地質(zhì)調(diào)查研究總院，黑龍江 哈爾濱 150027；2.中國地質(zhì)大學（武漢）環(huán)境學院，湖北 武漢 430074）

林甸縣是地熱資源開發(fā)利用集中區(qū)[1-4]，地熱水中富含多種礦物質(zhì)和微量元素，在經(jīng)過不同方式的利用后，其尾水中會不同程度的混入其他污染物和雜質(zhì)，地熱尾水采用直排方式就近進入市政管網(wǎng)。近年來，隨著地熱資源的開發(fā)利用和尾水的隨意排放引起以下問題：（1）較為清潔的供暖地熱尾水資源沒有充分利用，造成資源浪費，地下水位持續(xù)下降，形成降落漏斗；（2）地熱尾水中的超標基本控制項目進入周邊水體，造成了嚴重的環(huán)境污染，破壞地表水及其地下水環(huán)境[5-6]。因此，尾水處理勢在必行，目前地熱尾水的處理方法主要有尾水回灌、生物處理法、物化處理法[7-9]、尾水回灌[10-15]。然而，由于破壞熱儲層、二次污染、成本高等問題，前人對于地熱尾水處理方面的研究多停留在實驗室研究階段，工程實例較少，相關(guān)工藝技術(shù)還處于探索階段。此外，不同地域的地熱流體水質(zhì)特征、不同的開發(fā)利用途徑均造成了尾水水質(zhì)特征差異較大，難以直接套用現(xiàn)有工藝對林甸縣地熱尾水進行處理。

本研究通過林甸地區(qū)地熱尾水的水質(zhì)特征和排放現(xiàn)狀調(diào)研，篩選林甸地區(qū)典型尾水中超標基本控制項目；依據(jù)尾水回用標準設計混凝沉淀工藝、超濾工藝以及納濾工藝等相應的處理工藝；通過小試實驗和中試試驗相結(jié)合，研究工藝的處理效能、超標基本控制項目的去除效率，優(yōu)化工藝設計參數(shù)和運行控制策略，使處理后的地熱尾水能夠達到《城市污水再生利用農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)》（GB 20922-2007）標準，為林甸地區(qū)地熱尾水工程化處理回用以及應用推廣提供必要的技術(shù)支撐和科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 地質(zhì)概況

松嫩盆地位于我國東北平原北部，是我國主要大型地熱田之一，是典型的中低溫層狀熱儲型地熱田，熱儲層為白堊系泉頭組三、四段，青山口組，姚家組。蓋層為白堊系嫩江組、明水組，四方臺組及第四系。松嫩盆地地熱田地溫較高，地溫梯度3.5～4.3℃/100 m。單井涌水量480～2 880 m3/d，出口溫度28～61℃，初步估算松嫩盆地地熱田年可采地熱水資源量1×108m3以上[16-19]。

花園鎮(zhèn)位于林甸縣南端，距縣城23 km，中央凹陷區(qū)齊家古龍凹陷，地熱田類型屬中低溫層狀熱儲地熱田。熱儲層為白堊系泉頭組三、四段，青山口組，姚家組。熱源是基底花崗巖體及深部熱傳導。熱流體通道由林甸西斷裂、林甸東斷裂帶，以及與它們伴生的小斷裂構(gòu)成。

1.2 水化學基本特征

林甸地熱田具有溶解性總固體（TDS）濃度大、高氯、高氟、高硼的特征，且不同構(gòu)造單元差異較大，見表1。

花園鎮(zhèn)供暖主要利用林熱45 井，井深為2 050 m，井口溫度55℃，水化學類型為HCO3·Cl—Na型，pH值8.26。本研究選擇花園鎮(zhèn)地熱尾水作為研究對象，地熱尾水檢測結(jié)果見表2。

地熱尾水中TDS、氯化物、硼指標高于《城市污水再生利用農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)》（GB20922-2007），超標倍數(shù)分別為1.91、7.6、3.04。為了有效利用地熱尾水進行農(nóng)田灌溉，需對尾水進行脫鹽處理，重點分析TDS、氯化物、硼的處理效果，同時考慮COD、BOD5、氟化物、懸浮物（SS）、陰離子洗滌劑（LAS）等易超標敏感指標的處理效果。

2 試驗設計及運行參數(shù)

本研究從工藝運行穩(wěn)定性、適用性和經(jīng)濟性3個角度考慮，選用混凝沉淀工藝、超濾工藝以及納濾工藝開展相應研究。

首先分別在混凝沉淀、超濾、納濾3個處理單元單體試驗研究的基礎上獲取相關(guān)技術(shù)參數(shù)，繼而連續(xù)運行實驗。

表1 地熱水化學特征Table1 Characteristics of the geothermal water /(mg·L-1)

表2 花園鎮(zhèn)地熱尾水水質(zhì)特征Table2 Water quality characteristics of the geothermal tail water in the Huayuan Town

2.1 室內(nèi)實驗處理工藝及參數(shù)選取

室內(nèi)實驗采用的處理工藝流程為：地熱尾水首先進入調(diào)節(jié)池中進行水質(zhì)水量的均質(zhì)調(diào)峰，而后進入混凝沉淀系統(tǒng)中，通過投加混凝劑和助凝劑的方式去除COD、BOD5、SS、LAS，其出水進入超濾系統(tǒng)中進一步去除SS 及濁度，繼而進入納濾系統(tǒng)去除供暖尾水中的TDS、氯化物、硼完成脫鹽過程。超濾系統(tǒng)反洗水進入混凝沉淀反應器中進行處理后返回調(diào)節(jié)池中。

2.1.1 混凝沉淀

實驗以聚合氯化鋁（PAC）為混凝劑，以聚丙烯酰胺（PAM）為助凝劑，藥劑采用蠕動泵投加，投藥罐采用1 L 有機玻璃制成，藥劑混合采用小型攪拌器。其中PAM 投加量固定，為0.1 mg/L，在進水中加入硅藻土，控制SS為100±10 mg/L，進水量為0.5 L/h，通過控制混凝劑PAC的投加量確定最佳投加濃度。

由圖1可知，PAC的最佳投加量為30 mg/L，進水SS 濃度103.2 mg/L，此時SS 去除率為83.15%，出水SS 濃度16.88 mg/L。隨著PAC 投加量的增加，SS 去除率逐漸增高，當PAC 投加量約為25～30 mg/L時，SS去除率出現(xiàn)拐點，繼續(xù)投加PAC，SS 去除率增加不明顯。

圖1 PAC 投加量與地熱尾水SS 去除率關(guān)系Fig.1 Relationship between PAC dosage and SS removal rate of the geothermal tail water

2.1.2 超濾

實驗設置進水量為0.5 L/h，選取膜組件的操作壓力變化范圍0.06～0.15 MPa，其出水流量隨壓力變化影響，見圖2。當壓力從0.06 MPa 增加到0.15 MPa時，超濾膜通量從60.4 L/（m2·h）提高到128.7 L/（m2·h），提高操作壓力可明顯增加超濾滲透通量，壓力與膜通量呈現(xiàn)線性關(guān)系。綜合考慮膜通量和能耗，選取0.1 MPa作為超濾運行壓力，此時超濾通量為85.7 L/（m2·h），不但獲得超濾較高通量，且保持了較低能耗。

圖2 超濾膜通量隨壓力和時間變化Fig.2 Changes in ultrafiltration membrane flux with pressure and time

超濾在操作壓力變化范圍內(nèi)，其出水懸浮物濃度變化趨勢，見圖3。超濾實驗過程中，水分子及離子在壓力作用下透過膜進入出水端，溫泉尾水中的SS 通過篩分效應截留于濃水端。當超濾進水懸浮物濃度16.1 mg/L時，超濾出水SS 濃度都小于檢測限，隨著壓力增加，出水中SS 濃度穩(wěn)定，出水SS 濃度主要受超濾膜性能影響。

圖3 超濾出水SS 濃度隨壓力變化Fig.3 Variation in SS concentration in ultrafiltration effluent with operating pressure

超濾膜通量隨時間變化如圖4所示。超濾濃差極化現(xiàn)象使得過濾初期超濾膜通量下降明顯，運行10 min，由82.56 L/（m2·h）下降到78.32 L/（m2·h），隨著過濾進行，通量下降幅度逐漸減緩，從10 min 運行到30 min，進一步下降到75.71 L/（m2·h）。超濾在穩(wěn)定運行期間，試驗進水量為0.8 m3/h，超濾的出水率能夠穩(wěn)定在95%，如圖4所示。由于松嫩盆地北部林甸地熱田地熱尾水中SS含量低，SS 濃度長期處于檢測限以下（＜5 mg/L），最高不超過12 mg/L，供暖尾水經(jīng)過超濾處理后SS 濃度能夠降低至檢測限以下，且能夠保持穩(wěn)定。

圖4 超濾進水量及出水率隨時間變化Fig.4 Change in ultrafiltration water in take and water production rate with time

2.1.3 納濾

根據(jù)供暖尾水的水質(zhì)特征，分別選用NF20、TS80及NF90 三種納濾膜進行處理效能研究，實驗表明NF90 較NF20、TS80處理效果好。在進水量為0.5 L/h時，當操作壓力從0.2 MPa 提高到0.60 MPa時，各項指標均滿足《城市污水再生利用農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)》（GB20 922-2007）標準（表3），3種膜對TDS、氯化物、氟化物、硼截留率隨壓力增加而增大，見圖5。

2.1.4 運行參數(shù)確定

室內(nèi)實驗設計的混凝沉淀、超濾、納濾綜合工藝是可行的。其中混凝沉淀工藝運行參數(shù)為：助凝劑PAM投加量固定濃度0.1 mg/L，混凝劑PAC的最佳投加濃度30 mg/L；超濾工藝運行參數(shù)為：運行壓力0.1 MPa；納濾工藝運行參數(shù)為：選用陶氏NF90 納濾膜，運行壓力為0.60 MPa。

表3 納濾膜處理效果Table3 Processing effect of the nanofiltration membrane

圖5 壓力對納濾膜NF20、TS80和NF90 截留率的影響Fig.5 Effect of pressure on the rejection of nanofiltration membrane (NF20,TS80 and NF90)

2.2 中試試驗處理工藝及參數(shù)選取

根據(jù)室內(nèi)實驗獲取的運行參數(shù)，結(jié)合供暖尾水水質(zhì)特征，由于供暖地熱尾水的進水中化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD5）、陰離子表面活性劑（LAS）3 項指標的含量低于檢測限值，為降低運行成本，中試試驗在室內(nèi)實驗的基礎上刪除混凝沉淀工藝環(huán)節(jié)。

中試試驗采用的處理工藝流程為：出水進入超濾膜系統(tǒng)去除懸浮物，然后進入納濾系統(tǒng)將供暖尾水中的溶解性總固體（TDS）、氯化物和硼進行去除完成脫鹽過程。超濾膜系統(tǒng)反沖洗水和經(jīng)過適當處理的納濾膜濃水統(tǒng)一排放至市政排水系統(tǒng)中，進水量由小試試驗的0.5 L/h 提高到800 L/h。

3 處理效能分析

3.1 室內(nèi)實驗處理效能分析

為檢驗工藝長期運行的處理效果，工藝穩(wěn)定運行后分不同時段分別取樣化驗，檢測結(jié)果見表4。TDS 去除率90.21%～92.49%，氯化物去除率91.63%～93.02%，氟化物去除率96.81%，硼去除率55.20%～55.69%，均達到《城市污水再生利用 農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)》（GB 20922-2007）標準。

表4 處理不同時長后的水質(zhì)指標殘留量Table4 Basic control project test results for different times /(mg·L-1)

3.2 中試試驗處理效能分析

納濾在不同回收率情況下處理能力見表5，經(jīng)分析納濾65% 回收率下處理效果最好，在該回收率下運行3個月，納濾出水的TDS 濃度430 mg/L，TDS的去除率為92.62%，出水氯化物濃度200 mg/L，氯化物的去除率為92.57%，出水硼濃度1.77 mg/L，硼去除率為55.7%。

經(jīng)過4個月中試試驗穩(wěn)定運行，出水水質(zhì)隨時間的延長出現(xiàn)輕微下降，TDS 濃度460 mg/L，去除率為92.04%；氯化物濃度220 mg/L，去除率為91.88%；硼濃度1.93 mg/L，去除率為51.4%。納濾穩(wěn)定運行期間情況見圖6。

表5 不同回收率下的納濾處理效果及去除率Table5 Nanofiltration treatment effect and removal rate under different recovery rates

圖6 穩(wěn)定運行時納濾對尾水中TDS、氯化物、硼的截留Fig.6 TDS,chloride,boron interception of geothermal tail water during the nanofiltration stable operation

4 結(jié)論

（1）室內(nèi)設計混凝沉淀、超濾、納濾組合工藝。工藝運行參數(shù)為：助凝劑PAM 投加量固定濃度0.1 mg/L，混凝劑PAC的最佳投加濃度30 mg/L；超濾運行壓力為0.1 MPa；選用陶氏NF90 納濾膜，操作壓力為0.60 MPa。TDS 去除率90.21%～92.49%，氯化物去除率91.63%～93.02%，氟化物去除率96.81%，硼去除率55.20%～55.69%，且均達到相關(guān)標準。

（2）優(yōu)化中試試驗工藝流程，將進水量由小試試驗的0.5 L/h 提高到0.8 m3/h，出水的TDS 濃度430 mg/L，TDS的去除率為92.62%；出水氯化物濃度200 mg/L，氯化物的去除率為92.57%；出水硼濃度1.77 mg/L，硼去除率為55.7%?？梢詽M足相關(guān)標準。說明本工藝運行參數(shù)用來處理松嫩盆地北部林甸地熱田地熱尾水是可行的。