李永利，于长生,2，姜智超，商 洁，张丽华

（1.黑龙江省生态地质调查研究总院，黑龙江 哈尔滨 150027；2.中国地质大学（武汉）环境学院，湖北 武汉 430074）

林甸县是地热资源开发利用集中区[1-4]，地热水中富含多种矿物质和微量元素，在经过不同方式的利用后，其尾水中会不同程度的混入其他污染物和杂质，地热尾水采用直排方式就近进入市政管网。近年来，随着地热资源的开发利用和尾水的随意排放引起以下问题：（1）较为清洁的供暖地热尾水资源没有充分利用，造成资源浪费，地下水位持续下降，形成降落漏斗；（2）地热尾水中的超标基本控制项目进入周边水体，造成了严重的环境污染，破坏地表水及其地下水环境[5-6]。因此，尾水处理势在必行，目前地热尾水的处理方法主要有尾水回灌、生物处理法、物化处理法[7-9]、尾水回灌[10-15]。然而，由于破坏热储层、二次污染、成本高等问题，前人对于地热尾水处理方面的研究多停留在实验室研究阶段，工程实例较少，相关工艺技术还处于探索阶段。此外，不同地域的地热流体水质特征、不同的开发利用途径均造成了尾水水质特征差异较大，难以直接套用现有工艺对林甸县地热尾水进行处理。

本研究通过林甸地区地热尾水的水质特征和排放现状调研，筛选林甸地区典型尾水中超标基本控制项目；依据尾水回用标准设计混凝沉淀工艺、超滤工艺以及纳滤工艺等相应的处理工艺；通过小试实验和中试试验相结合，研究工艺的处理效能、超标基本控制项目的去除效率，优化工艺设计参数和运行控制策略，使处理后的地热尾水能够达到《城市污水再生利用农田灌溉用水水质》（GB 20922-2007）标准，为林甸地区地热尾水工程化处理回用以及应用推广提供必要的技术支撑和科学依据。

1 研究区概况

1.1 地质概况

松嫩盆地位于我国东北平原北部，是我国主要大型地热田之一，是典型的中低温层状热储型地热田，热储层为白垩系泉头组三、四段，青山口组，姚家组。盖层为白垩系嫩江组、明水组，四方台组及第四系。松嫩盆地地热田地温较高，地温梯度3.5～4.3℃/100 m。单井涌水量480～2 880 m3/d，出口温度28～61℃，初步估算松嫩盆地地热田年可采地热水资源量1×108m3以上[16-19]。

花园镇位于林甸县南端，距县城23 km，中央凹陷区齐家古龙凹陷，地热田类型属中低温层状热储地热田。热储层为白垩系泉头组三、四段，青山口组，姚家组。热源是基底花岗岩体及深部热传导。热流体通道由林甸西断裂、林甸东断裂带，以及与它们伴生的小断裂构成。

1.2 水化学基本特征

林甸地热田具有溶解性总固体（TDS）浓度大、高氯、高氟、高硼的特征，且不同构造单元差异较大，见表1。

花园镇供暖主要利用林热45 井，井深为2 050 m，井口温度55℃，水化学类型为HCO3·Cl—Na型，pH值8.26。本研究选择花园镇地热尾水作为研究对象，地热尾水检测结果见表2。

地热尾水中TDS、氯化物、硼指标高于《城市污水再生利用农田灌溉用水水质》（GB20922-2007），超标倍数分别为1.91、7.6、3.04。为了有效利用地热尾水进行农田灌溉，需对尾水进行脱盐处理，重点分析TDS、氯化物、硼的处理效果，同时考虑COD、BOD5、氟化物、悬浮物（SS）、阴离子洗涤剂（LAS）等易超标敏感指标的处理效果。

2 试验设计及运行参数

本研究从工艺运行稳定性、适用性和经济性3个角度考虑，选用混凝沉淀工艺、超滤工艺以及纳滤工艺开展相应研究。

首先分别在混凝沉淀、超滤、纳滤3个处理单元单体试验研究的基础上获取相关技术参数，继而连续运行实验。

表1 地热水化学特征Table1 Characteristics of the geothermal water /(mg·L-1)

表2 花园镇地热尾水水质特征Table2 Water quality characteristics of the geothermal tail water in the Huayuan Town

2.1 室内实验处理工艺及参数选取

室内实验采用的处理工艺流程为：地热尾水首先进入调节池中进行水质水量的均质调峰，而后进入混凝沉淀系统中，通过投加混凝剂和助凝剂的方式去除COD、BOD5、SS、LAS，其出水进入超滤系统中进一步去除SS 及浊度，继而进入纳滤系统去除供暖尾水中的TDS、氯化物、硼完成脱盐过程。超滤系统反洗水进入混凝沉淀反应器中进行处理后返回调节池中。

2.1.1 混凝沉淀

实验以聚合氯化铝（PAC）为混凝剂，以聚丙烯酰胺（PAM）为助凝剂，药剂采用蠕动泵投加，投药罐采用1 L 有机玻璃制成，药剂混合采用小型搅拌器。其中PAM 投加量固定，为0.1 mg/L，在进水中加入硅藻土，控制SS为100±10 mg/L，进水量为0.5 L/h，通过控制混凝剂PAC的投加量确定最佳投加浓度。

由图1可知，PAC的最佳投加量为30 mg/L，进水SS 浓度103.2 mg/L，此时SS 去除率为83.15%，出水SS 浓度16.88 mg/L。随着PAC 投加量的增加，SS 去除率逐渐增高，当PAC 投加量约为25～30 mg/L时，SS去除率出现拐点，继续投加PAC，SS 去除率增加不明显。

图1 PAC 投加量与地热尾水SS 去除率关系Fig.1 Relationship between PAC dosage and SS removal rate of the geothermal tail water

2.1.2 超滤

实验设置进水量为0.5 L/h，选取膜组件的操作压力变化范围0.06～0.15 MPa，其出水流量随压力变化影响，见图2。当压力从0.06 MPa 增加到0.15 MPa时，超滤膜通量从60.4 L/（m2·h）提高到128.7 L/（m2·h），提高操作压力可明显增加超滤渗透通量，压力与膜通量呈现线性关系。综合考虑膜通量和能耗，选取0.1 MPa作为超滤运行压力，此时超滤通量为85.7 L/（m2·h），不但获得超滤较高通量，且保持了较低能耗。

图2 超滤膜通量随压力和时间变化Fig.2 Changes in ultrafiltration membrane flux with pressure and time

超滤在操作压力变化范围内，其出水悬浮物浓度变化趋势，见图3。超滤实验过程中，水分子及离子在压力作用下透过膜进入出水端，温泉尾水中的SS 通过筛分效应截留于浓水端。当超滤进水悬浮物浓度16.1 mg/L时，超滤出水SS 浓度都小于检测限，随着压力增加，出水中SS 浓度稳定，出水SS 浓度主要受超滤膜性能影响。

图3 超滤出水SS 浓度随压力变化Fig.3 Variation in SS concentration in ultrafiltration effluent with operating pressure

超滤膜通量随时间变化如图4所示。超滤浓差极化现象使得过滤初期超滤膜通量下降明显，运行10 min，由82.56 L/（m2·h）下降到78.32 L/（m2·h），随着过滤进行，通量下降幅度逐渐减缓，从10 min 运行到30 min，进一步下降到75.71 L/（m2·h）。超滤在稳定运行期间，试验进水量为0.8 m3/h，超滤的出水率能够稳定在95%，如图4所示。由于松嫩盆地北部林甸地热田地热尾水中SS含量低，SS 浓度长期处于检测限以下（＜5 mg/L），最高不超过12 mg/L，供暖尾水经过超滤处理后SS 浓度能够降低至检测限以下，且能够保持稳定。

图4 超滤进水量及出水率随时间变化Fig.4 Change in ultrafiltration water in take and water production rate with time

2.1.3 纳滤

根据供暖尾水的水质特征，分别选用NF20、TS80及NF90 三种纳滤膜进行处理效能研究，实验表明NF90 较NF20、TS80处理效果好。在进水量为0.5 L/h时，当操作压力从0.2 MPa 提高到0.60 MPa时，各项指标均满足《城市污水再生利用农田灌溉用水水质》（GB20 922-2007）标准（表3），3种膜对TDS、氯化物、氟化物、硼截留率随压力增加而增大，见图5。

2.1.4 运行参数确定

室内实验设计的混凝沉淀、超滤、纳滤综合工艺是可行的。其中混凝沉淀工艺运行参数为：助凝剂PAM投加量固定浓度0.1 mg/L，混凝剂PAC的最佳投加浓度30 mg/L；超滤工艺运行参数为：运行压力0.1 MPa；纳滤工艺运行参数为：选用陶氏NF90 纳滤膜，运行压力为0.60 MPa。

表3 纳滤膜处理效果Table3 Processing effect of the nanofiltration membrane

图5 压力对纳滤膜NF20、TS80和NF90 截留率的影响Fig.5 Effect of pressure on the rejection of nanofiltration membrane (NF20,TS80 and NF90)

2.2 中试试验处理工艺及参数选取

根据室内实验获取的运行参数，结合供暖尾水水质特征，由于供暖地热尾水的进水中化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD5）、阴离子表面活性剂（LAS）3 项指标的含量低于检测限值，为降低运行成本，中试试验在室内实验的基础上删除混凝沉淀工艺环节。

中试试验采用的处理工艺流程为：出水进入超滤膜系统去除悬浮物，然后进入纳滤系统将供暖尾水中的溶解性总固体（TDS）、氯化物和硼进行去除完成脱盐过程。超滤膜系统反冲洗水和经过适当处理的纳滤膜浓水统一排放至市政排水系统中，进水量由小试试验的0.5 L/h 提高到800 L/h。

3 处理效能分析

3.1 室内实验处理效能分析

为检验工艺长期运行的处理效果，工艺稳定运行后分不同时段分别取样化验，检测结果见表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%，均达到《城市污水再生利用 农田灌溉用水水质》（GB 20922-2007）标准。

表4 处理不同时长后的水质指标残留量Table4 Basic control project test results for different times /(mg·L-1)

3.2 中试试验处理效能分析

纳滤在不同回收率情况下处理能力见表5，经分析纳滤65% 回收率下处理效果最好，在该回收率下运行3个月，纳滤出水的TDS 浓度430 mg/L，TDS的去除率为92.62%，出水氯化物浓度200 mg/L，氯化物的去除率为92.57%，出水硼浓度1.77 mg/L，硼去除率为55.7%。

经过4个月中试试验稳定运行，出水水质随时间的延长出现轻微下降，TDS 浓度460 mg/L，去除率为92.04%；氯化物浓度220 mg/L，去除率为91.88%；硼浓度1.93 mg/L，去除率为51.4%。纳滤稳定运行期间情况见图6。

表5 不同回收率下的纳滤处理效果及去除率Table5 Nanofiltration treatment effect and removal rate under different recovery rates

图6 稳定运行时纳滤对尾水中TDS、氯化物、硼的截留Fig.6 TDS,chloride,boron interception of geothermal tail water during the nanofiltration stable operation

4 结论

（1）室内设计混凝沉淀、超滤、纳滤组合工艺。工艺运行参数为：助凝剂PAM 投加量固定浓度0.1 mg/L，混凝剂PAC的最佳投加浓度30 mg/L；超滤运行压力为0.1 MPa；选用陶氏NF90 纳滤膜，操作压力为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%，且均达到相关标准。

（2）优化中试试验工艺流程，将进水量由小试试验的0.5 L/h 提高到0.8 m3/h，出水的TDS 浓度430 mg/L，TDS的去除率为92.62%；出水氯化物浓度200 mg/L，氯化物的去除率为92.57%；出水硼浓度1.77 mg/L，硼去除率为55.7%。可以满足相关标准。说明本工艺运行参数用来处理松嫩盆地北部林甸地热田地热尾水是可行的。