地热水净化处理装置及其处理地热水的方法

摘要

本发明涉及一种地热水净化处理装置及其处理地热水的方法，属于水处理技术领域。本发明的地热水净化处理装置，主要由锰砂过滤器、超滤膜组件、除硼树脂组件、一级反渗透组件构成；锰砂过滤器依次连接超滤膜组件、除硼树脂组件后，最后连接一级反渗透组件。还可以连接二级反渗透组件。通过本发明的装置和处理地热水的方法，得到的一级反渗透出水水质达到国家标准《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）和行业标准《城市热力网设计规范》（CJJ34-2002），二级反渗透出水达到国家《瓶（桶）装饮用纯净水卫生标准》（GB17324-2003）。

说明书

技术领域

本发明涉及一种地热水净化处理装置及其处理地热水的方法，属于水处理技术领域。

背景技术

地热水是一种宝贵的天然资源，它不仅可以向人类提供无污染的热能，而且还可以作为供水水源或矿物资源加以开发利用，对国民经济的发展具有重要意义。地热水资源具有多方面的日益广泛的用途。现有技术将地热水主要用于以下两方面：

（1）利用地热发电

世界上利用地热发电主要国家有意大利、新西兰、墨西哥、美国、印度尼西亚、土耳其、前苏联、萨尔瓦多、肯尼亚、冰岛和日本。我国1970年在广东建起了第一座试验热电站后，又相继建成了天津、河北怀来、西藏羊八井等地的热电站。

（2）以地热水作为热源的城市集中供热

地热水供热比其他能源供热具有节省矿物燃料和不造成城市大气污染的特殊优点，作为一种可供选择的新能源，其开发和利用正在受到重视。

以地热水作为热源的城市集中供热，按利用方式分有直接供热和间接供热两种：直接供热是把地热水直接引入热用户系统供热；间接供热是通过表面式换热器，以地热水加热二次水，二次水再进入热用户系统循环供热。

采用间接供热传热温差损失大约在5%～15%，地热水温越低百分比损失越大。换热器内流过地热水，当地热水水质差，有腐蚀性时，要用钛合金钢制作换热器，价格昂贵，使地热水生产经济性变差；而且，无论使用壳式换热器，还是使用板式换热器，都会因腐蚀与结垢造成换热效率不断下降。换热器除垢与维修工作量大，使用寿命短，还会因更换换热器造成停产。

相对于间接供热，使用直接供热的方式具有以下优点：                                               没有传热温差损失；节省了换热器的投资。但是采用直接供热对水质要求较高，由于地热水中含有来自地下岩层中的岩粉、岩屑或砂土等碎屑物，长期使用地热水，可对设备和管道产生沉积和堵塞；有的地热水含有较多的低价铁和锰，在空气中被氧化后，使水变成铁锈色，并附在容器壁上，影响设备的感观；有的地热水矿化度较高，且含有多种腐蚀性成份，对设备造成严重的腐蚀破坏，直接影响其使用寿命；还有的地热水矿化度相对较高，温度降低后，部分溶解性物质超过其饱和度而产生结垢现象，造成设备及输水管道的堵塞。为此，直接利用地热水一般应根据地热水的水质条件及用途作相应的净化处理后再利用，可以保持设备良好的运行状态，延长使用寿命。

现有技术的地热水净化方法主要是絮凝、沉降、砂滤等工艺处理，一方面现有技术的方法处理后的水质不能满足生活和工业应用的要求；另一方面地热水净化过程属于开放式、降温过程，这会导致热量资源利用率十分低下。目前我国的地热水开发采用直接供暖的工程很少，其主要原因在于缺乏稳定有效的水处理方法和工艺。

发明内容

本发明的技术目的是针对地热水的水质特点，提供一种以膜分离技术为核心的集成工艺处理地热水的方法，以解决常规处理方法处理效果不稳定、处理水质不合格、热量利用率低等技术问题，实现处理出水可直接进行采暖供热的要求，高效利用地热水资源的技术效果，为相关企业开发利用地热水资源提供一条稳定有效的途径。

为了实现本发明的技术目的和技术效果，本发明采用如下技术方案。

一、一种地热水净化处理装置，主要由锰砂过滤器、超滤膜组件、除硼树脂组件、一级反渗透组件构成；各组件的连接顺序如下：锰砂过滤器依次连接超滤膜组件、除硼树脂组件后，最后连接一级反渗透组件。

其中，所述的锰砂过滤器自带反洗装置。

进一步地，所述的装置还包括中间水箱、增压泵、保安过滤器、高压泵，其中除硼树脂组件依次通过连接中间水箱、增压泵、保安过滤器、高压泵后再连接一级反渗透组件。

所述的超滤膜组件选自中空纤维超滤膜、管式超滤膜或板式超滤膜。进一步地，所述的超滤膜选用平均孔径为0.02～1.0 微米的耐高温无机膜；进一步地，所述的耐高温无机膜包括陶瓷膜、金属膜、陶瓷与金属的复合材料膜。

所述的超滤膜组件上增设在线反冲洗装置，可减轻膜污染，提高膜通量，延长膜的清洗周期，有助于超滤系统长期稳定运行。

所述的除硼树脂组件上增设再生装置。

进一步地，本发明所述的装置还包括二级反渗透组件，二级反渗透组件依次连接在一级反渗透组件之后。

其中，一级反渗透组件和二级反渗透组件之间还包括散热器、增压泵、保安过滤器、高压泵；一级反渗透组件依次通过连接散热器、增压泵、保安过滤器、高压泵后再连接二级反渗透组件。

所述的一级反渗透组件或二级反渗透组件选自中空纤维式反渗透膜、卷式反渗透膜、板框式反渗透膜或管式反渗透膜。进一步地，所述的反渗透膜选用耐高温有机膜元件，膜元件的持续工作温度高于80℃。

二、利用本发明所述的地热水净化处理装置处理地热水的方法，主要包括以下步骤：

1）地热井中的地热水通过供料泵直接接入锰砂过滤器，除去水中绝大部分的铁、锰氧化物及固体悬浮物，确保后续工艺的运行稳定性。

2）从锰砂过滤器流出的地热水通过超滤膜组件过滤，截留水中的高分子有机物、菌类、悬浮微粒、热原体和各类硅、铁和铝的胶体等杂质；超滤截留的浓水排放。

其中，步骤2）的超滤膜组件过滤方法可选用终端过滤法或错流过滤法。

所述的终端过滤法为：地热水在压力下进入超滤膜的原料侧，透过液透过膜层进入渗透侧，被截留的未透过物滞留在原料侧的膜面上；进一步地，所述的终端过滤法时超滤膜为中空纤维超滤膜或管式超滤膜。

所述的错流过滤法为：地热水在压力作用下进入超滤膜的原料侧，透过液透过膜层进入渗透侧，未透过液平行于膜面继续流动并返回至原料侧，并对料液进行循环浓缩，直至料液中被截留的杂质浓度高至超滤膜通量衰减至不能进行超滤操作后，将原料侧的浓缩料液排放并对超滤膜进行清洗。进一步地，超滤膜形式为中空纤维超滤膜、管式超滤膜或板式超滤膜。

3）经超滤膜组件超滤后的滤出液经过吸附除硼树脂组件，截留地热水中99%以上的硼元素。

4）除硼后的地热水最后通过一级反渗透组件，去除地热水中残留的小分子有机物、离子元素等，大幅度减少进入直接采暖供热系统的水中引起设备和管道腐蚀的成分。

进一步地，本发明所述的方法还包括步骤5）：将步骤4）得到的地热水再通过二级反渗透组件处理的步骤。

进一步地，本发明所述的方法还包括将步骤4）和/或步骤5）得到的反渗透的浓水回灌至地热井层的步骤。该步骤利用了反渗透的浓水压力较高（一般为1～3 Mpa）的特点，该浓水能维持岩层间压力，延长地热井的使用寿命，保护地热水资源，符合可持续发展要求。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种以膜分离为核心技术的地热水净化工艺，其中超滤膜优先选用耐高温的无机膜（包括陶瓷膜、金属膜或其复合材料膜等），超滤膜平均孔径范围为0.02至1.0 微米范围内。地热水经过超滤系统，水中的高分子有机物、菌类、悬浮微粒、热原体和各类硅、铁和铝的胶体等杂质基本被完全截留，仅部分小分子有机物、溶解性的盐、金属离子等随水透过超滤膜。超滤膜滤出液中的颗粒性杂质含量已经很少，可以有效保证后续工艺中的吸附装置及反渗透的进水水质要求。最后通过反渗透系统进一步脱除水质中超标的小分子物质或离子元素，其中一级反渗透出水水质达到国家标准《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）和行业标准《城市热力网设计规范》（CJJ34-2002），二级反渗透出水达到国家《瓶（桶）装饮用纯净水卫生标准》（GB 17324-2003）。

另外，本发明提供的地热水净化处理装置和方法，使整个系统密闭运行，避免了水与外界接触而引入新的污染源，避免了水中溶解氧的进入所带来的供热管网的设备腐蚀问题，出水水质稳定可靠；且整套系统在保温状态下运行，不需要另设冷却塔等降温或换热设备，实现了地热水资源高效、直接利用。

附图说明

图1是地热水净化处理装置的结构图（仅包括一级反渗透组件）。

其中，1-地热井；2-供料泵；3-锰砂过滤器；4-超滤膜组件；5-反冲洗装置；6-除硼树脂组件；7-中间水箱；8-增压泵；9-保安过滤器；10-高压泵；11-一级反渗透组件。

图2是地热水净化处理装置的结构图（同时包括一级渗透组件和二级渗透组件）。

其中，1-地热井；2-供料泵；3-锰砂过滤器；4-超滤膜组件；5-反冲洗装置；6-除硼树脂组件；7-中间水箱；8-增压泵；9-保安过滤器；10-高压泵；11-一级反渗透组件；12-散热器；13-增压泵；14-保安过滤器；15-高压泵；16-二级反渗透组件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明作进一步描述。

实施例 1 

本实施例说明本发明所述地热水净化处理装置的结构和构造。

如图1所示，本发明的地热水净化处理装置，主要由锰砂过滤器(3)、超滤膜组件(4)、除硼树脂组件(6)、一级反渗透组件(11)构成；各组件的连接顺序如下：锰砂过滤器(3)依次连接超滤膜组件(4)、除硼树脂组件(6)后，最后连接一级反渗透组件(11)。

其中，所述的锰砂过滤器(3)自带反洗装置。

进一步地，所述的装置还包括中间水箱(7)、增压泵(8)、保安过滤器(9)、高压泵(10)，其中除硼树脂组件(6)依次通过连接中间水箱(7)、增压泵(8)、保安过滤器(9)、高压泵(10)后再连接一级反渗透组件(11)。

所述的超滤膜组件(4)选自中空纤维超滤膜、管式超滤膜或板式超滤膜。进一步地，所述的超滤膜选用平均孔径为0.002～1.0 微米的耐高温无机膜；进一步地，所述的耐高温无机膜包括陶瓷膜、金属膜、陶瓷与金属的复合材料膜。

所述的超滤膜组件(4)上增设在线反冲洗装置(5)，可减轻膜污染，提高膜通量，延长膜的清洗周期，有助于超滤系统长期稳定运行。

所述的除硼树脂组件(6)上增设再生装置。

如图2所示，本发明所述的装置还包括二级反渗透组件(16)，二级反渗透组件(16)依次连接在一级反渗透组件(11)之后。

其中，一级反渗透组件(11)和二级反渗透组件(16)之间还包括散热器(12)、增压泵(13)、保安过滤器(14)、高压泵(15)；一级反渗透组件(11)依次通过连接散热器(12)、增压泵(13)、保安过滤器(14)、高压泵(15)后再连接二级反渗透组件(16)。

所述的一级反渗透组件(11)或二级反渗透组件(16)选自中空纤维式反渗透膜、卷式反渗透膜、板框式反渗透膜或管式反渗透膜。进一步地，所述的反渗透膜选用耐高温有机膜元件，膜元件的持续工作温度高于80℃。

实施例2

本实施例说明利用本发明所述的地热水净化处理装置处理地热水的方法，如图1所示，主要包括以下步骤。

1）地热井(1)中的地热水通过供料泵(2)直接接入锰砂过滤器(3)，除去水中绝大部分的铁、锰氧化物及固体悬浮物，确保后续工艺的运行稳定性。

2）从锰砂过滤器(3)流出的地热水通过超滤膜组件(4)过滤，截留水中的高分子有机物、菌类、悬浮微粒、热原体和各类硅、铁和铝的胶体等杂质；超滤截留的浓水排放。

其中，步骤2）的超滤膜组件(4)过滤方法可选用终端过滤法或错流过滤法。

所述的终端过滤法为：地热水在压力下进入超滤膜的原料侧，透过液透过膜层进入渗透侧，被截留的未透过物滞留在原料侧的膜面上；进一步地，所述的终端过滤法时超滤膜为中空纤维超滤膜或管式超滤膜。

所述的错流过滤法为：地热水在压力作用下进入超滤膜的原料侧，透过液透过膜层进入渗透侧，未透过液平行于膜面继续流动并返回至原料侧，并对料液进行循环浓缩，直至料液中被截留的杂质浓度高至超滤膜通量衰减至不能进行超滤操作后，将原料侧的浓缩料液排放并对超滤膜进行清洗。进一步地，超滤膜形式为中空纤维超滤膜、管式超滤膜或板式超滤膜。

3）经超滤膜组件(4)超滤后的滤出液经过吸附除硼树脂组件(6)，截留地热水中99%以上的硼元素。

4）除硼后的地热水最后通过一级反渗透组件(11)，去除地热水中残留的小分子有机物、离子元素等，大幅度减少进入直接采暖供热系统的水中引起设备和管道腐蚀的成分。

进一步地，本发明所述的方法还包括步骤5）：将步骤4）得到的地热水再通过二级反渗透组件(16)处理的步骤。

进一步地，本发明所述的方法还包括将步骤4）和/或步骤5）得到的反渗透的浓水回灌至地热井(1)的步骤。该步骤利用了反渗透的浓水压力较高（一般为1～3 Mpa）的特点，该浓水能维持岩层间压力，延长地热井的使用寿命，保护地热水资源，符合可持续发展要求。

实施例3

将90℃的地热采出水按1.6 m³/h流量通入地热水净化系统，地热水净化前后的水质如表1所示。

地热水首先进入锰砂过滤器，利用氧化方法将水中低价铁离子和低价锰离子氧化成高价铁离子和高价锰离子再经过吸咐过滤去除。过滤器内上层为无烟煤，中层天然锰砂，底层为磁铁矿，设计流速为5m/h，当进出水压力差达0.1Mpa时进行反冲洗，水反冲洗强度为1.5 m³/min·m²，气反洗强度为5.0 m³/min·m²，反洗历时10min。

    超滤膜系统采用孔径为0.05μm的管式无机陶瓷膜，膜面积为3.0m²。超滤膜运行压力为0.20Mpa，过滤方式采用内压式错流过滤且膜面流速为1 m/s，反冲周期为30min，反冲洗历时5s，在此条件下，超滤膜的稳定通量为1.5 m³/h，产水回收率为95%。

    超滤出水进入树脂吸附除硼装置，树脂采用含α-胺乙酰基和邻羟基双官能团的吸硼树脂，该树脂的双官能团的承载量为0.1～2.8 mmol/g，树脂吸附量为26 mg/g-干剂（该树脂购买于南京工业大学的专利产品，专利公开号CN 101775089 A）。对硼的去除率可达99.90%以上，出水的硼含量满足生活饮用水标准。

除硼后的水进入一级反渗透系统。反渗透膜的形式为卷式膜。一级反渗透膜元件采用GE公司开发的耐高温膜元件Duratherm系列STD RO8040型号，膜面积为33m²，运行压力为2.7Mpa，膜的稳定通量为0.9 m³/h，产水回收率为65%。一级反渗透出水水质达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）和行业标准《城市热力网设计规范》（CJJ34-2002）。

经过采暖换热后的地热尾水再进入二级反渗透系统。二级反渗透膜元件采用GE公司开发的耐高温膜元件Duratherm系列HWS RO8040型号，膜面积为33m²，运行压力为1.5Mpa，膜的稳定通量为1.2 m³/h，产水回收率为85%。二级反渗透出水达到国家《瓶（桶）装饮用纯净水卫生标准》（GB 17324-2003）。

实施例 4

将70℃的地热采出水按1.6 m³/h流量通入地热水净化系统，地热水净化前后的水质如表2所示。

地热水首先进入锰砂过滤器，过滤器内上层为无烟煤，中层天然锰砂，底层为磁铁矿，设计流速为6m/h，当进出水压力差达0.1Mpa时进行反冲洗，水反冲洗强度为1.6 m³/min·m²，气反洗强度为5.5 m³/min·m²，反洗历时8min。

    超滤膜系统采用孔径为0.02μm的中空纤维式无机陶瓷膜，膜面积为5.0 m²。超滤膜运行压力为0.35Mpa，过滤方式采用终端过滤，反冲周期为15min，反冲洗历时8s，在此条件下，超滤膜的稳定通量为2.5 m³/h，产水回收率为98%。

    超滤出水进入树脂吸附除硼装置，树脂采用含α-胺乙酰基和邻羟基双官能团的吸硼树脂（同实施例3），该树脂的双官能团的承载量为0.1～2.8mmol/g，树脂吸附量为28mg/g-干剂。对硼的去除率可达99.9%以上，出水的硼含量满足生活饮用水标准。

    采用反渗透系统作为地热水净化工艺的最后过程，一级反渗透膜的形式为卷式膜，膜元件采用GE公司开发的耐高温膜元件Duratherm系列STD RO8040型号，膜面积为33m²/支。反渗透采用2支膜元件串联，运行压力为2.0Mpa，膜的稳定通量为1.5 m³/h，产水回收率为60%。反渗透出水水质达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）。

实施例5

本实施例同实施例3，仅改变选择其超滤膜组件的超滤膜为孔径为1μm的板式无机金属膜。

选择一级反渗透膜组件的形式为中空纤维膜。其净化后的反渗透出水水质同样能达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）。

选择二级反渗透膜组件的形式为板框式纤维膜。二级反渗透出水达到国家《瓶（桶）装饮用纯净水卫生标准》（GB 17324-2003）。

实施例6

本实施例同实施例4，仅改变选择其超滤膜组件的超滤膜为孔径为0.02μm的板式无机金属陶瓷复合膜。

选择一级反渗透膜组件的形式为管式纤维膜。其净化后的反渗透出水水质同样能达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）。

选择二级反渗透膜组件的形式为卷式纤维膜。二级反渗透出水达到国家《瓶（桶）装饮用纯净水卫生标准》（GB 17324-2003）。