浅谈高盐度及高矿化度地热水软化处理及综合运用.doc

浅谈：高盐度及高矿化度地热水软化处理及综合运用地热水是指温度显著高于当地年平均气温，或者高于观测深度的围岩温度的地下水。起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变，所以通常每1L地热水氧化钙（CaO）或氧化镁（MgO）含量均超过80mg，此种地热水就是我们俗称的硬水。目前，我国非常重视地热水的勘探和综合利用，以地热发电、工业用水、地热采暖、温泉SPA、新型农业生产等为主要的利用形式。在中国，北方地区对地热水利用相对普遍，南方和西部城市对地热能的利用还存在较大空白；放眼国外，全球地热能发电总量约合8000兆瓦，其中美国就占2800兆瓦，日本占50兆瓦，位于北半球的冰岛，每5户家庭中就有户享用着地热能源，可见利用率之高。做为新型、绿色、可再生资源的地热能源在未来能源领域举足轻重，而发展历程却崎岖坎坷、荆棘丛生。就目前国内、外地热能源利用的例子来看，原水的软化处理，尾水的排放问题当数首要问题了。高温、高盐、高矿化度的硬水在外管网系统、辅热系统、内循环系统及闸阀、地漏等部分非常容易结垢，减缓地热水在管网系统中流速，造成阀门卡涩以致卡死，地漏堵塞，甚至在辅热系统中会造成爆炸的危险。排放的尾水因具有较高温度会造成周边植物枯萎或者死亡，影响下游水质造成鱼虾死亡、土地盐碱化等。如何最环保、最高效率、最大经济效益的综合利用宝贵的地热资源，成为一代地质地热人研究的新课题。要做到最环保，那么首当其冲的就是高盐、高矿化度极硬地热水的软化处理问题。目前国内外软化硬水的方法主要有三种：石灰-苏打法、药剂法、离子交换法、电渗析和超滤技术。药剂法又称石灰-苏打法、石灰磷酸钠纯碱法，此方法大规模用于生活水软化处理，利用石灰（CaO）和苏打（NaCO3）与硬水中的Mg2+和Ca2+离子发生反应，产生沉淀，达到软化硬水的目的。其化学方程式如下：Ca2+ + CO32- =CaCO3Mg2+ + 2OH- = Mg(OH)2Ca2+ + 2HCO3- + Ca2+ + 2OH- = 2CaCO3 + 2H2OMg2+2HCO3-+2Ca2+4OH- =Mg(OH)2+2CaCO3+2H2O因地热水具备相对较高的温度，且生石灰溶水会产生大量的热，加热过程可以省去。离子交换法是通过它是利用离子交换剂，把水中的离子与离子交换剂中可扩散的离子进行交换作用，使水得到软化的方法。直饮水大都采用有机合成离子交换树脂作离子交换剂。在处理水时，先让水从阳柱自上而下通过，使水中的金属离子被阳离子交换树脂吸附，阳离子交换树脂中的氢离子被交换到水中去；然后再通过阴柱，使水中的阴离子被阴离子树脂吸附，阴离子树脂将氢氧根离子交换到水中，和氢离子化合成水，使水得到净化。经过长时间的运行，离子交换设备的交换能力将趋于饱和，此时要用高浓度NaCl溶液对离子交换设备进行反冲洗，以保证离子交换树脂的离子交换能力。电渗析法是在外加直流电场的作用下，利用阴、阳离子交换膜对水中离子的选择透过性，使水中阴、阳离子分别通过阴、阳离子交换膜向阳极和阴极移动，从而达到净化作用。这项技术常用于将自来水制备初级纯水。反渗透法（超滤）是提高水的压力来克服渗透压，使水穿过功能性半透膜而除盐净化。反渗透法也能除去胶体物质，对水的利用率可达75以上；其产水能力大，操作简便，但维护成本和建造成本相对较大。工艺降垢是通过软化处理的硬水基本能达到饮用水的标准，适合于温泉SPA、工业用水和新型农业生产等领域，除上述软化硬水以降低温泉水对系统损害外还可以从工艺的角度入手，降低地热水对系统的危害。以辅热系统为例，众所周知锅炉加热地热水极易造成结垢，若不及时处理结垢极易造成出水量减小、出水口水温达不到既定要求、甚至还可能发生爆炸。怎么解决既保证安全运行、又保证出水温度、还能降低维护频率，降低运行成本呢？经由业内多位专业人员研究和实验运用，在传统锅炉系统中引入内循环系统和热交换系统，内循环系统中的循环水采用医用蒸馏水或极软水，经由锅炉系统加热后流经换热器，通过换热器与需加热的地热水进行换热，因为两套管路均为独立的，互不影响水质，仅进行热交换，所以不会影响内循环水质，保证内循环水的结垢系数，降低维护频率，保障安全运行。另外近几年发明的水源热泵技术和地源热泵技术也能达到安全运行、出水温恒定、运行成本低、绿色环保、节能降耗的目的。从理论上讲以上工艺和办法能将极硬水完全软化且完全排除硬水对系统及周边环境的影响，但实际操作中因为操作不当，补充交换剂、添加剂不及时或者过量等众多因素影响，硬水并不能完全软化。考虑到农业、景观、养殖等其他行业对这些元素的依赖，地热水的利用应该走向综合运用、极致彰显的道路。综合利用地热水，发挥地热水温度、富含各种微量元素、近似海水等优势，合理运用到相对应的领域，会收到意想不到的收益。如下图所示：综合利用流程及过程说明： 水处理系统：地热水采集集中后进行软化处理，对符合相应要求的地热水可采取先经过试剂法软化，再经过电渗析法或者离子交换法进行二次净化处理，两套净化设备配合使用能大大的降低运营成本，且处理后的水质会更好。 辅热系统：运用锅炉、水源热泵等加热系统对地热水进行加热处理，（部分已满足温度要求的地热水可不用加热）采取内循环系统加热，换热器换热形式对地热水进一步加热处理以达到用户端需求。此种加热方式避免了锅炉等加热设备因直接加热地热水产生结垢而造成的锅炉效率降低，出水量减小，受热不均造成爆炸等潜在威胁。 医疗：地热水中含大量对人体有益的微量元素，例如氡（Rn）、碘（I）、亚铁（Fe2+）、H2S等等，通过现代科技技术提炼对人体有益的微量元素，制造出相应的药物。疗养性温泉理疗中心的核心产品-温泉浴对关节炎、高血压、胃及十二指肠溃疡、心血管病、神经衰弱、支气管炎及各种皮肤病有良好的治疗效果，并对各种老年病的康复有一定作用。 美容：地热水中含若放射性元素氡、氟等，作为美容护肤品添加剂加入后能美容养颜、消除疲劳。 工业制造：工业上运用中低温热水范围较广，干燥、纺织、造纸、机械、木材加工、盐分析取、化学萃取、制革等行业中都有应用。其中地热干燥是地热能直接利用的重要项目，地热脱水蔬菜及方便食品等是直接利用地热的地热干燥产品。地热水是天然的热水，不需要新增锅炉设备等，大大降低了制造成本，降低碳排放量，为创建环境友好型工业打下坚实的基础。 发电：我国西藏地区属高温地热区，地热水温度达90以上，地下3000米温度会更高，可直接用于地热发电。 温泉SPA：这是在我国运用最广的地热能源利用形式，地热水含有多种对人体有益的矿物成分和化学元素，是集热、矿、水三位一体具有多种用途的清洁、医疗和保健作用的资源。浴疗水温高于皮肤温度，可兴奋交感神经，使皮肤血管扩张，脉搏加速，缓解肌肉痉挛，促进身体新陈代谢，另外温泉浴有明显的降血脂作用，使血管输液功能增强，提高机体内分泌功能和调节神经系统功能，防止血管硬化，有延年益寿之效。也是现代人最为流行的休闲娱乐方式之一。 热带鱼养殖业：身居内陆的西部地区、西北地区和华中、东北地区热带观赏鱼和海鱼均靠沿海城市空运，价格昂贵且成活率不高，利用冷却地热水与海水成分相似的特征可在内陆大量养殖海生鱼类，供市场消费或观赏。该项可用于温泉旅游区尾水处理，增加娱乐方式、增加营业收入。同时它又可将地热采暖、地热温室以及地热工业利用过的地热排水再次综合梯级利用，使地热利用率大大提高。 大棚种植：目前国内基本上实现了无论春夏秋冬均有新鲜蔬菜食用的目标，这大部分均归功于大棚蔬菜种植，另外还大棚花卉温室，蘑菇培育、育种温室等，北方主要种植比较高档的瓜果菜类、食用菌、花卉等，南方主要用于育秧。冬季大棚种植最为关键的就是大棚内的保暖、保温，可利用地热水余热为大棚内提供恒定的温度，既不影响水质，也起到温泉水（地热水）冷却作用，为后续的排放或养殖做好铺垫，若与温泉旅游区共建可增加旅游项目，体验农家风情，也是增收、创收的另一条新路。 采暖与空调系统：北方冬季严寒，南方夏季酷热，利用地板、墙体、吊顶等空间铺设地暖管网，可有效增加室内温度，且不需要另外增湿，让干燥寒冷的冬季一去不再来。南方可利用自来水、湖泊水、地下水、浅层地热水等作为热交换介质，利用水源热泵中央空调给建筑物降温，能耗大大降低，解决了夏季电力紧张时期对电力的需求，根据水源热泵中央空调的工作原理，该空调不会带来任何污染，符合国家和企业对冷暖空调的绿色、环保、高效、节能的目标。工艺整合根据水处理及综合利用的工艺、方法。可以得到一套安全可靠、节约资源、经济效益高、运行维护方便的综合性方案。以江苏省南通市小洋口“南通温泉会所”项目为例，经由国土资源部南京矿产资源监督检测中心鉴定，检测温度20， PH值7.62，外观呈黄色浑浊，总硬度达466属极硬水，其中暂时硬度289，永久硬度177。Ca2+离子含量147mg/l,Mg2+离子含量24mg/l,HCO3-离子含量353 mg/l,SO32-离子含量696mg/l,cl-离子含量265mg/l,是典型的极硬型地热水，需充分利用该泉眼所产地热水第一步需经行软化处理，将地热水抽至蓄水池，利用本身温泉水温度（必要时可辅热）去除暂时硬度，利用药剂法加入适量的石灰（CaO）和纯碱（NaCO3）可以大大降低温泉水永久硬度，静置后能得到硬度小于8的软水，再经由离子交换法或电渗析法得到较为纯净的地热水，经过曝气、除铁等装置净化，得到符合要求的地热水，在初级水处理站末端设置医药用地热水接口、美容产品用地热水接口、直饮用水接口等相应接口，地热水经由外管网系统输送至南通温泉会所所在地，经由各客房、水源热泵中央系统、大棚农业种植产业园等仅利用地热水温度，不造成水质影响的相关利用园，再供给给各温泉泡池、汤屋供顾客沐浴使用，经过沐浴的地热水水质发生改变，需经过尾水处理后方能再次利用或排放，此时的地热水含有颗粒物、油脂、微生物和各种矿物质，因为此时地热水硬度相对较低，并含有其他杂质，建议使用电渗析法软化处理、因为膜的选择通过性，大分子的油脂、颗粒物、微生物等是不会通过渗析膜的，同时也起到了进一步软化温泉水的功效，对后期要求不高也可以选择离子交换法或药剂法。经过尾水处理的地热水同样含有一定温度，可以观赏水、水幕等形式利用，此阶段不但可以美化会所环境，节约用水还起到降温的作用，经由尾水收集管网进入热带鱼养殖园、会所冲厕用水，因地热水经过多级利用，本身所具备的温度已殆尽，硬度较低，已经不具备对环境的破坏性可以直接排放或回灌。经过上述过程，地热水经过多级净化、软化，保障了整个系统的安全性和经济运行，经过综合利用，经济价值已发挥到了最大和对环境的影响最小。是较为科学、较为理想的地热水综合处理、利用方案。结束语：地热能源