临沂市地热尾水环境负效应及处理方案研究_刘连.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 008临沂市地热尾水环境负效应及处理方案研究刘连1，2，冷旭勇1，2，李庆义1，2，许洪芳3，孙国权3，李婷婷3(1 山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250010;2 山东省富铁矿勘查技术开发工程实验室，山东 济南250010;3 临沂市自然资源和规划局，山东 临沂 276301)摘要临沂市地热资源丰富，开发历史悠久，已建成河东汤头、沂南铜井、沂南松山、沂水许家湖等四个温泉开发示范区。地热资源利用过程中会产生尾水污染，破坏地表环境，为实现地热尾水无害化排放，对地热尾水进行处理尤为关键。本文在对临沂市各个示范区温泉开发企业地热尾水特征调查基础上，对临沂市地热尾水排放的环境负效应进行分析，对比探讨地热尾水处理的合理方案。结果表明:临沂市地热资源开发利用形式以医疗、洗浴为主，利用形式单一，利用效率整体较低，高温尾水直接排放到天然水体，会迅速和天然水体进行热量交换和物质弥散，引起河流水温升高、水质变化、影响生物生长、破坏局部水生态平衡，造成热污染;会引起化学污染，间接引发土壤化学成分的改变;参考已有地热尾水处理的典型案例，认为临沂地区地热水矿化度高、组分复杂，地热尾水化学 生物复合处理方案在沂南铜井温泉示范区已取得较好应用，具有推广意义。关键词临沂市;地热尾水;环境负效应;处理方案中图分类号P314 1文献标识码A文章编号1004 1184(2023)03 0026 03收稿日期2022 08 19作者简介刘连(1984 )，男，安徽太和人，高级工程师，主要从事水文地质、地热地质、地质灾害相关研究工作。通讯作者李婷婷(1980 )，女，辽宁凌海人，高级工程师，主要从事地热资源开发管理工作。Study on the negative environmental effects ofgeothermal tailwater and treatment options in Linyi cityLIULian1，2，LENG Xu yong1，2，LI Qing yi1，2，XU Hong fang3，SUN Guo quan3，LI Ting ting3(1 Shandong First Geological and Mineral Exploration Institute，Jinan，Shandong 250010，China;2 Engineering Labo-ratory for the Development of Iron rich Ore Exploration Technology，Shandong Province，Jinan 250010，China;3 Naturalesources and Planning Bureau，Linyi City，Shandong Province，China 276301)Abstract:Linyi is rich in geothermal resources and has a long history of development Four model hot spring developmentareas have been built，including Tangtou in Hedong，Tongjing in Yinan，Songshan in Yinan and Xujiahu in Yishui The useof geothermal resources can produce tailwater pollution and damage the surface environment，so it is particularly crucial to treatgeothermal tailwater in order to achieve a harmless discharge This paper analyses the negative environmental effects of geo-thermal tailwater discharge in Linyi on the basis of a survey of the characteristics of geothermal tailwater from hot spring devel-opment enterprises in various demonstration zones in Linyi，and compares and discusses reasonable options for geothermal tail-water treatment The results show that the development and utilization of geothermal resources in Linyi is mainly in the form ofmedical treatment and bathing，with a single form of utilization and an overall low utilization efficiency，and that the direct dis-charge of high temperature tailwater into natural water bodies will rapidly exchange heat and disperse materials with naturalwater bodies，causing an increase in river water temperature，changes in water quality，affecting biological growth，destroyingthe local water ecological balance and causing thermal pollution;It will cause chemical pollution and indirectly lead to changesin soil chemical composition;with reference to existing typical cases of geothermal tailwater treatment，it is considered that thegeothermal water in Linyi is highly mineralized and has complex components，and the chemical biological composite treat-ment scheme for geothermal tailwater has been well applied in the Tongjing Hot Spring Demonstration Area in Yinan，whichhas significance for promotionKey words:Linyi city;Geothermal tailwater;Negative environmental effects;Treatment options地热水是地热能的载体，是一种重要的水资源，地热水利用过程中会产生尾水热污染、水质污染，从而制约着地热资源的开发利用1。地热尾水若不经处理排放，会引起一系列的环境问题，近年来越发引起科技工作者的关注，地热尾水处理技术迅速发展。目前地热尾水处理方法主要有物理方法(磁 分 离 法、电 解 法、反 渗 透 膜 法、气 浮 法、冷 冻 法等)1 2、化学方法(沉淀法、混凝法、吸附法、离子交换法等)3 5、生物方法、尾水回灌。本文基于示范区温泉开发企业地热尾水特征的调研，为了寻求地热尾水处理的合理方案，对示范区地热尾水处理进行研究，并对地热尾水处理方案提出全面合理化建议。1临沂市地热资源概况临沂市地处郯庐断裂带中部，地热资源丰富，有 2 600 多622023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3年的温泉开发利用历史，先后获得“中国地热城”、“中国温泉之城”称号。地热地质遥感调查结果显示，临沂市共有地热异常区 49 处，预测远景地热资源总量约为 5 4 1018J，折合标准煤 1 84 亿 t，为 大 型 地 热 田，地 热 资 源 开 发 潜 力 巨大6 8。临沂市已探明可采热流体 27 215 m3/d，其中 18 348m3/d 已经完成储量备案。临沂市设立地热勘查专项资金查证地热田 22 处，加速了地热资源开发利用步伐，现已建成河东汤头、沂南铜井、沂南松山等三个温泉开发示范区，示范区内共有温泉开发企业 10 余家(表 1)。表 1临沂市主要温泉开发示范区地热水概况序号名称允许开采量/m3/d矿化度/mg/LpH水化学类型偏硅酸/mg/L氟化物/mg/L1河东汤头温泉旅游度假区2 6002 1007 65Cl NaCa83 972 202沂南智圣汤泉旅游度假村6 9711 5078 2SO4CO3 NaCa58 342 03沂南松山温泉示范区1 2002 8317 8Cl Na89 763 22地热尾水直接排放对环境的影响地热水运移路径长，经历了比常温地下水更充分的水岩反应，其矿化度、氟化物、偏硅酸等组分含量往往是常温地下水的几倍甚至几十倍。部分物质如氟化物、氯化物含量达到一定含量，通过洗浴，具有一定医疗保健作用，但并不适宜饮用和农田灌溉。如汤头温泉示范区地下热水中氟、全盐含量和氯 化 物 含 量 分 别 为 2 4 mg/L、1 900 mg/L 和 769 84mg/L，铜井温泉示范区地热水中氟、全盐含量和总铅含量分别为 5 0 mg/L、1 750 mg/L 和 1 1 mg/L，松山温泉地热田地热水中偏硅酸、氟和氡含量分别为 87 75 mg/L、4 75 mg/L和 227 15 mg/L，均超过农田灌溉水质标准(GB5084 2021)，不能直接用于农田灌溉。地热水经洗浴利用之后，其化学组成还会发生一些变化，有毒有害物质进一步富集，成分更加复杂。就临沂地区而言，地热尾水的排放对环境存在以下影响。2 1热污染当前临沂市地热资源开发利用形式以医疗、洗浴为主，利用形式单一，利用效率整体较低，仅有智圣汤泉旅游度假村一家进行了地热资源梯级利用。洗浴尾水温度仍然较高，高温尾水如果直接排放到天然水体，会迅速和天然水体进行热量交换和物质弥散，使河流水温升高，水质变化，进而影响生物生长，破坏局部水生态平衡，造成热污染。2 1 1降低水体溶解氧含量地热水注入引发水体温度升高，提升水中含氮有机残体分解速度。另外地热水中富含的有机物质，是部分水生生物的营养物质，其大量混入使水体富营养化，水生生物迅速繁殖，大量消耗水体溶解氧，最终水体溶解氧含量急剧下降。2 1 2影响水生生物水生生物在长期进化过程中已经形成了最佳适宜生长温度，水体温度过高，会影响水生生物的生产繁殖，改变微水体生态系统。2 1 3改变局部水循环水温升高直接引起水分子热运动加强，同时水面附近大气也被加温，受热后体积膨胀上升，水汽垂向对流得到加强，水面蒸发加快，引发区域蒸发量变大，如果地热水影响水体面积较大，则引发的蒸发量变化不可忽略，对缺水山区影响尤其明显9。2 2化学污染前文已述及地热水经过深循环，并封存于深部热储岩石中，经长期水岩作用形成各具特色的特殊水化学类型，不经过处理排放会改变纳污水体的水化学组成，地下水的下渗和对河流两岸的侧向补给，又间接引发土壤化学成分的改变。地热水中含有氟化物，不能直接排放，氟化物通过影响土壤结构从而改变土壤渗透性能。调查显示，黏性土壤渗透性不如沙质土壤渗透性好，对氟化物的吸附能力也弱，例如农田土壤中的氟化物的含量低于其旁的鱼塘底的泥沙质土壤，水体中氟化物可以直接被水生生物吸收，或者因灌溉引水转移到旱地农作物中。含有高盐度的地热尾水不能直接用于农田灌溉，会引起土壤板结，从而土壤透气性变差，农作物生长受到抑制，需要进行处理10 11。2 3大气污染地热水处于封闭压力环境，抽提过程中压力逐渐降低，接近地表时压力骤降，地热水中伴生气体溶解度会迅速降低，大量气体主要是 H2S、CO2会逸散到大气，影响大气环境。高温地热田中 H2S 含量较高，H2S 气体严重危害人体健康，尤其是呼吸系统。地热水中排放的大量 CO2气体，会加剧温室效应12。临沂地区地热田均为低温地热田，地热水中伴生气体含量不高，一般无需进行特殊处理，而且地热水开发利用节约燃煤，可以同时降低 H2S、CO2等气体排放。3国内地热尾水处理技术及典型案例地热尾水处理目前主要有利用人工湿地系统处理地热尾水的新型污染控制技术和化学处理两种方式，现将具有代表性的几个示范工程简要介绍如下。3 1人工湿地系统处理地热尾水技术人工湿地系统处理地热尾水技术具有很多优点，包括出水水质稳定、运转维护管理方便，工程基建与运行费用低，生态安全性高，景观效果突出等，能更有效地处理具有污染浓度较低、污染源比较分散、土地资源较充足等特征的温泉旅游景区污水。图 1人工湿地第二位水处理系统工艺流程图3 1 1东海温泉地热尾水处理案例东海县东海温泉为氟硅复合型医疗热矿水，洗浴废水一般为连续排放，在周末和冬季排放量较大，排放变化系数较大13。其地热尾水处理采用了人工湿地系统处理地热尾水技术。东海温泉地热尾水处理工程是由两部分构成，分别是预处理系统和复合湿地系统。其中预处理系统的构成包括三个单元:格栅、生物强化沉淀池和预曝气池;复合湿地系统的构成包括三个部分:垂直潜流湿地、水平潜流湿地和表层72第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月流湿地(图 1)。3 1 2静海县地热尾水净化系统天津市静海县团泊村地热开发中心基地针对地热尾水的净化进行了工程规模的现场试验，该净化系统包括预处理系统和水生植物塘系统两个部分(图 2)14。图 2静海县地热尾水净化系统工艺流程图地热尾水可以通过生物处理法来净化，例如水生植物处理具有节省基建和设备投资、节能及管理简单等特点，净化结果较为明显。经过石灰沉淀法预处理和水生植物塘净化后的地热尾水，可以达到排放标准，用于农田灌溉。3 2化学方式净化地热尾水技术化学方法是相对传统的污水处理方法，主要通过向污水中投放化学试剂，与污染物形成沉淀的方式净化水体。多篇文献报道了采用聚合铝(PAC)化学原料处理高氟地热尾水的成功案例。某地热开发企业安装含有聚合铝(PAC)化学原料，利用PAC 的混凝和吸附效果除去地热尾水中氟离子。处理前含地热水中氟化物含量 13 57 mg/L，化学混凝除氟后，氟化物含量降至 1 mg/L 以下，达到国家饮用水标准。处理工艺见图 315。图 3高氟地热尾水的处理工艺图该案例属于单项指标净化，处理成本较低，能够达到氟安全排放标准。当对多项指标进行净化时，要考虑不同成分之间的化学反应，其技术更加复杂。人工湿地污水处理系统是一个综合的生态系统，具有如下优点:(1)运行费用低;(2)易于维护;(3)技术含量低;(4)有效稳定;(5)可提供和间接提供效益，如水产、畜产、绿化、娱乐和教育。相比较化学处理方式虽然开始运营的投入成本较低，但后期在使用过程中一直需要运行和维护费用。4临沂市地热尾水处理现状4 1临沂汤头温泉省级旅游区临沂汤头温泉省级旅游区位于河东汤头温泉示范区，是临沂“中国温泉之城”核心区，区内温泉开发企业数目较多，之前山东省煤炭疗养院、观唐温泉、知春湖度假村等大型温泉开发企业的温泉尾水均采用净化设备处理以后才进行排放，但有部分小规模的温泉开发企业并未对温泉尾水进行处理直接排放。2019 年 5 月汤头污水处理厂投入使用，区内11 家温泉开发利用企业地热尾水均通过城市管网输送到汤头污水处理厂，经过处理后出水执行城市污水处理厂污染物排放标准 级 A 标准，尾水通过蘘荷排入淮河水系。日可处理污水 2 万 t，年可削减 COD 约 2 555 t，削减 NH3 N 约219 t，避免了地热尾水污染环境。4 2山东智圣汤泉旅游度假村山东智圣汤泉旅游度假村位于沂南铜井温泉示范区，温泉泡池尾水处理分为植物净化和机器净化两种方式。(1)机器净化。智圣汤泉引进先进的污水处理系统，建设了污水处理站，对排放的地热尾水进行一次净化。净化的同时，对约 23 的地热尾水，用热泵提取 15 热量，排放温度约 8，达 到 温 度 排 放 要 求。提 取 的 热 量 用 于 度 假 村60 000 m2的冬季供暖。(2)植物净化。经过机器净化的地热尾水，统一汇入温泉园区人工湖，湖内种植了芙蕖、水葫芦等有净化水质作用的水生维管植物。通过这些植物，对排出的尾水进行二次净化后排入度假村卧龙湖，作为湖水的补充和观赏鱼类的养殖。4 3颐尚温泉度假村颐尚温泉度假村位于沂南松山温泉示范区，其地热尾水处理设施建成于 2017 年 3 月。地热尾水经沉淀池+沙滤罐处理和人工湖自然净化处理后排放标准达到类水质标准。度假村生活污水经污水处理设施处理后，其排放标准达到中水回用。5结语(1)临沂地区地热资源丰富，开发利用程度较高，但目前仍然存在开发利用效率低下的问题，开发效率低不仅造成资源浪费，还导致地热尾水处理必须有降温程序，否则将会引起水体热污染。地热梯级利用势在必行。(2)地热尾水处理有化学处理、生物处理、综合处理等多种体系，对于组分单一，化学处理、生物处理均适用;对矿化度高、组分复杂的地热尾水往往需要采用复合处理方案。(3)临沂地区地热水矿化度高、组分复杂，地热尾水化学 生物复合处理方案在沂南铜井温泉示范区取得了较好应用，具有推广意义。参考文献 1任加国，高宗军，武倩倩，等 高盐度地热尾水处理的试验研究J 工程勘察 2010 38(09):36 38+54 2Gao Zong Jun，en Jia Guo，Li Jia Liang，etc The ComprehensiveTest for Geothermal Tail Water DisposalJ Advanced Materialsesearch 2011 403 408(403 408)3Jia Guo en，Qian Qian Wu The Study on Tail Water TreatmentModel in Shandong ProvinceJAdvanced Materials esearch2012 1897(538 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