李永利，于長(zhǎng)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(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074）

林甸縣是地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用集中區(qū)[1-4]，地?zé)崴懈缓喾N礦物質(zhì)和微量元素，在經(jīng)過(guò)不同方式的利用后，其尾水中會(huì)不同程度的混入其他污染物和雜質(zhì)，地?zé)嵛菜捎弥迸欧绞骄徒M(jìn)入市政管網(wǎng)。近年來(lái)，隨著地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用和尾水的隨意排放引起以下問(wèn)題：（1）較為清潔的供暖地?zé)嵛菜Y源沒(méi)有充分利用，造成資源浪費(fèi)，地下水位持續(xù)下降，形成降落漏斗；（2）地?zé)嵛菜械某瑯?biāo)基本控制項(xiàng)目進(jìn)入周邊水體，造成了嚴(yán)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(shì)在必行，目前地?zé)嵛菜奶幚矸椒ㄖ饕形菜毓唷⑸锾幚矸?、物化處理法[7-9]、尾水回灌[10-15]。然而，由于破壞熱儲(chǔ)層、二次污染、成本高等問(wèn)題，前人對(duì)于地?zé)嵛菜幚矸矫娴难芯慷嗤Ａ粼趯?shí)驗(yàn)室研究階段，工程實(shí)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?zé)崃黧w水質(zhì)特征、不同的開(kāi)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(duì)林甸縣地?zé)嵛菜M(jìn)行處理。

本研究通過(guò)林甸地區(qū)地?zé)嵛菜乃|(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(biāo)基本控制項(xiàng)目；依據(jù)尾水回用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)混凝沉淀工藝、超濾工藝以及納濾工藝等相應(yīng)的處理工藝；通過(guò)小試實(shí)驗(yàn)和中試試驗(yàn)相結(jié)合，研究工藝的處理效能、超標(biāo)基本控制項(xiàng)目的去除效率，優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行控制策略，使處理后的地?zé)嵛菜軌蜻_(dá)到《城市污水再生利用農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)》（GB 20922-2007）標(biāo)準(zhǔn)，為林甸地區(qū)地?zé)嵛菜こ袒幚砘赜靡约皯?yīng)用推廣提供必要的技術(shù)支撐和科學(xué)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(guó)東北平原北部，是我國(guó)主要大型地?zé)崽镏?，是典型的中低溫層狀熱?chǔ)型地?zé)崽?，熱?chǔ)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(tái)組及第四系。松嫩盆地地?zé)崽锏販剌^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?zé)崽锬昕刹傻責(zé)崴Y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?zé)崽镱?lèi)型屬中低溫層狀熱儲(chǔ)地?zé)崽铩醿?chǔ)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(dǎo)。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(xué)基本特征

林甸地?zé)崽锞哂腥芙庑钥偣腆w（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(jiàn)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(xué)類(lèi)型為HCO3·Cl—Na型，pH值8.26。本研究選擇花園鎮(zhèn)地?zé)嵛菜鳛檠芯繉?duì)象，地?zé)嵛菜畽z測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

地?zé)嵛菜蠺DS、氯化物、硼指標(biāo)高于《城市污水再生利用農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)》（GB20922-2007），超標(biāo)倍數(shù)分別為1.91、7.6、3.04。為了有效利用地?zé)嵛菜M(jìn)行農(nóng)田灌溉，需對(duì)尾水進(jìn)行脫鹽處理，重點(diǎn)分析TDS、氯化物、硼的處理效果，同時(shí)考慮COD、BOD5、氟化物、懸浮物（SS）、陰離子洗滌劑（LAS）等易超標(biāo)敏感指標(biāo)的處理效果。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)

本研究從工藝運(yùn)行穩(wěn)定性、適用性和經(jīng)濟(jì)性3個(gè)角度考慮，選用混凝沉淀工藝、超濾工藝以及納濾工藝開(kāi)展相應(yīng)研究。

首先分別在混凝沉淀、超濾、納濾3個(gè)處理單元單體試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上獲取相關(guān)技術(shù)參數(shù)，繼而連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。

表1 地?zé)崴瘜W(xué)特征Table1 Characteristics of the geothermal water /(mg·L-1)

表2 花園鎮(zhèn)地?zé)嵛菜|(zhì)特征Table2 Water quality characteristics of the geothermal tail water in the Huayuan Town

2.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)處理工藝及參數(shù)選取

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)采用的處理工藝流程為：地?zé)嵛菜紫冗M(jìn)入調(diào)節(jié)池中進(jìn)行水質(zhì)水量的均質(zhì)調(diào)峰，而后進(jìn)入混凝沉淀系統(tǒng)中，通過(guò)投加混凝劑和助凝劑的方式去除COD、BOD5、SS、LAS，其出水進(jìn)入超濾系統(tǒng)中進(jìn)一步去除SS 及濁度，繼而進(jìn)入納濾系統(tǒng)去除供暖尾水中的TDS、氯化物、硼完成脫鹽過(guò)程。超濾系統(tǒng)反洗水進(jìn)入混凝沉淀反應(yīng)器中進(jìn)行處理后返回調(diào)節(jié)池中。

2.1.1 混凝沉淀

實(shí)驗(yàn)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(dòng)泵投加，投藥罐采用1 L 有機(jī)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(jìn)水中加入硅藻土，控制SS為100±10 mg/L，進(jìn)水量為0.5 L/h，通過(guò)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(jìn)水SS 濃度103.2 mg/L，此時(shí)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(dāng)PAC 投加量約為25～30 mg/L時(shí)，SS去除率出現(xiàn)拐點(diǎn)，繼續(xù)投加PAC，SS 去除率增加不明顯。

圖1 PAC 投加量與地?zé)嵛菜甋S 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(shí)驗(yàn)設(shè)置進(jìn)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(jiàn)圖2。當(dāng)壓力從0.06 MPa 增加到0.15 MPa時(shí)，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(xiàn)性關(guān)系。綜合考慮膜通量和能耗，選取0.1 MPa作為超濾運(yùn)行壓力，此時(shí)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(shí)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(shì)，見(jiàn)圖3。超濾實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，水分子及離子在壓力作用下透過(guò)膜進(jìn)入出水端，溫泉尾水中的SS 通過(guò)篩分效應(yīng)截留于濃水端。當(dāng)超濾進(jìn)水懸浮物濃度16.1 mg/L時(shí)，超濾出水SS 濃度都小于檢測(cè)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(shí)間變化如圖4所示。超濾濃差極化現(xiàn)象使得過(guò)濾初期超濾膜通量下降明顯，運(yùn)行10 min，由82.56 L/（m2·h）下降到78.32 L/（m2·h），隨著過(guò)濾進(jìn)行，通量下降幅度逐漸減緩，從10 min 運(yùn)行到30 min，進(jìn)一步下降到75.71 L/（m2·h）。超濾在穩(wěn)定運(yùn)行期間，試驗(yàn)進(jìn)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?zé)崽锏責(zé)嵛菜蠸S含量低，SS 濃度長(zhǎng)期處于檢測(cè)限以下（＜5 mg/L），最高不超過(guò)12 mg/L，供暖尾水經(jīng)過(guò)超濾處理后SS 濃度能夠降低至檢測(cè)限以下，且能夠保持穩(wěn)定。

圖4 超濾進(jìn)水量及出水率隨時(shí)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(jìn)行處理效能研究，實(shí)驗(yàn)表明NF90 較NF20、TS80處理效果好。在進(jìn)水量為0.5 L/h時(shí)，當(dāng)操作壓力從0.2 MPa 提高到0.60 MPa時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足《城市污水再生利用農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)》（GB20 922-2007）標(biāo)準(zhǔn)（表3），3種膜對(duì)TDS、氯化物、氟化物、硼截留率隨壓力增加而增大，見(jiàn)圖5。

2.1.4 運(yùn)行參數(shù)確定

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(yùn)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(yùn)行參數(shù)為：運(yùn)行壓力0.1 MPa；納濾工藝運(yùn)行參數(shù)為：選用陶氏NF90 納濾膜，運(yùn)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(duì)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(yàn)處理工藝及參數(shù)選取

根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)獲取的運(yùn)行參數(shù)，結(jié)合供暖尾水水質(zhì)特征，由于供暖地?zé)嵛菜倪M(jìn)水中化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD5）、陰離子表面活性劑（LAS）3 項(xiàng)指標(biāo)的含量低于檢測(cè)限值，為降低運(yùn)行成本，中試試驗(yàn)在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上刪除混凝沉淀工藝環(huán)節(jié)。

中試試驗(yàn)采用的處理工藝流程為：出水進(jìn)入超濾膜系統(tǒng)去除懸浮物，然后進(jìn)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(jìn)行去除完成脫鹽過(guò)程。超濾膜系統(tǒng)反沖洗水和經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理的納濾膜濃水統(tǒng)一排放至市政排水系統(tǒng)中，進(jìn)水量由小試試驗(yàn)的0.5 L/h 提高到800 L/h。

3 處理效能分析

3.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)處理效能分析

為檢驗(yàn)工藝長(zhǎng)期運(yùn)行的處理效果，工藝穩(wěn)定運(yùn)行后分不同時(shí)段分別取樣化驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)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(dá)到《城市污水再生利用 農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)》（GB 20922-2007）標(biāo)準(zhǔn)。

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

3.2 中試試驗(yàn)處理效能分析

納濾在不同回收率情況下處理能力見(jiàn)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(yùn)行3個(gè)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(guò)4個(gè)月中試試驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行，出水水質(zhì)隨時(shí)間的延長(zhǎng)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(yùn)行期間情況見(jiàn)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(yùn)行時(shí)納濾對(duì)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(shè)計(jì)混凝沉淀、超濾、納濾組合工藝。工藝運(yùn)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(yùn)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(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）優(yōu)化中試試驗(yàn)工藝流程，將進(jìn)水量由小試試驗(yàn)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(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。說(shuō)明本工藝運(yùn)行參數(shù)用來(lái)處理松嫩盆地北部林甸地?zé)崽锏責(zé)嵛菜强尚械摹?/p>