温泉废水资源综合利用研究进展

1研究背景

温泉水是从地下自然涌出或人工钻井取得,且水温大于或等于25℃,含有多种对人体健康有益的微量元素的矿水。传统温泉水使用主要是用来洗浴,然后洗浴废水直接排入环境中。不仅造成温泉水中热量的浪费,同时还污染环境。在此背景下,拓宽温泉水的利用渠道,使温泉水资源合理高效利用。温泉水的综合利用是资源节约与环境保护的双赢。

2温泉废水常见综合利用的方法

2.1温泉废水热能的回收利用

温泉水经洗浴排出后,仍有大量的热能。如何从温泉废水中回收热能,变废为宝,是当下建设资源节约型、环境友好型社会面对的课题。

我国温泉水资源总量丰富,但目前在温泉水资源的利用上还比较单一。主要用于温泉洗浴,然后作为废水排出,势必造成温泉洗浴水中大量热量的浪费。 科技部十一五课题中,设立了水源热泵的研究课题。

目前,全国已有北京、天津、河北、内蒙、河南及山东等 20多个省(市、自治区)在推广地下水源热泵空调技术。表1为重庆市南温泉洗浴水中的检测结果,该检测结果由“重庆岩土工程检测中心”提供。

从表1可知:洗浴水呈弱碱性,水中含有大量的可溶性固体(TDS)、游离二氧化碳、SO2 - 4、Ca2 + 和 Mg2 +。洗浴废水容易在水源热泵管道中结垢,并对一般的金属材料有腐蚀作用。赵峰等分析:利用物理方法、化学方法可以有效防止水源热泵管道结垢;添加缓蚀剂可以满足不同金属材料的防腐蚀要求。由于水源热泵对水质有一定要求,目前水源热泵技术在温泉水以及江河湖水中的运用不多,在污水中的运用则更少,但有所涉及。庞南柱等认为水源热泵可以运用到南宁市小区的生活污水,而且经济效益可观。王凤翔认为水源热泵用于污水处理厂未经处理的污水原水也是可以的,但机组设备需要具有强抗堵塞以及抗腐蚀性。水源热泵是一项系统工程, 热泵系统中的很多因素,包括取水水温、水质、水流量等,都会直接或间接的影响水源热泵的运行。吴艳菊认为为了保证地热资源的充分利用,对地表水源热泵系统作整体适宜性评价及规划迫在眉睫。根据目前水源热泵技术的应用现状和存在问题,潘登认为需针对水源热泵不同系统形式的特殊性及其特点,开展以下几个方面的关键技术研究:1)不同形式的水源热泵换热系统关键技术研究;2)高效可靠专用分布式水源热泵机组开发;3)防堵防蚀取水、高效能技术及设备的开发研究;4)基于全生命周期的水源热泵技术评价指标体系的研究。图1为热泵机组的工作原理图。

我国水源热泵研究相对一些发达国家起步较晚, 目前仍处在发展阶段。但该技术的很多优势都已有了显现,并得到很多专家学者的论证。张勇认为水源热泵地板辐射采暖较传统采暖方式有如下优点: 1)节能效果显著;2)占地少、安全、环保;3)地板采暖相对于暖气片和风机盘管更具有优点。张晓清分析温泉水热能用于南京总医院汤山分院的效果,假定该建筑冬季空调时间为12月、1月和2月,则3个月总的热负荷统计为219 278 kW·h。可见,温泉水经过热泵技术利用于空调,节能效果明显。此外,楚广明等人对水源热泵机组、燃气锅炉和电锅炉的初投资和运行费用做横向比较。水源热泵机组供热系统比燃气锅炉供热系统初投资增加了70万元,但是运行费用每天节省约3 000元,1年多即可收回增加的投资,而电锅炉供热系统运行费用太高,建议尽量不要采用。Míguez Tabarés J L等认为:对水源热泵的经济效益分析,需综合考虑热泵系统的投资费用、 使用寿命等因素。

综上所述,水源热泵无论在技术上还是经济上都是可行的。洗浴后的温泉水相对直接利用的地热水在成分上会复杂一些;同时,不同地区的温泉水在成分上会存在一些差异。孙艺伟认为,就地热资源的开发利用与内在机理等方面开展更深层次和更大领域的研究。需要尽快加强以下几个方面的工作: 1)提高地热资源在国内的应用程度和分布认识,强化对地热资源的来源、储藏、循环以及再生机理方面的研究;2)探索地热开采的勘探、规划、利用与监督管理等方面配套机制。

2.2温泉废水用作植物的灌溉

温泉水中含有丰富的矿物质和微量元素。经过洗浴的温泉水较刚出的泉水,其COD、BOD及水中某些离子的含量发生变化,因属于可再利用水的范畴。 而且温泉洗浴水出水量稳定,用其替代饮用水浇灌植物,即拓宽了温泉废水的利用范围,又节约了成本。我国现行的对灌溉水的标准一般采用GB/T 18920—2002《城市污水再生利用城市杂用水水质》。其中包括pH值、五日生化需氧量(BOD5)、浊度(NTU)、 溶解氧等13个指标。根据重庆南温泉洗浴水测得的指标,孔维平认为符合污水综合排放要求。现根据徐茂其等人的化学水质指数评价法,参照GB/T 18920— 2002标准,对南温泉洗浴废水中的主要化学指标进行评价。王齐等认为中水灌溉绿地的5个主要控制指标为:氯化物、余氯、盐度、悬浮物、pH值。温泉洗浴水中未涉及余氯,故在此不予考虑。标准中关于中水用于城市绿化涉及的盐度有氨氮,故在该评价中选择了亚硝酸盐、NH+4、NO - 3的含量。结合南温泉洗浴水的特殊性,增加色度作为其中评价的对象。综合指数的计算方法如式(1)所示。各指标实验值及国标见表2

经计算得南温泉洗浴水综合指数为6.162,在 3~7,属于轻度污染。本文对照标准是以生活饮用水标准进行的,对于灌溉用水,可以适当放宽。

根据国外的《灌溉水质量标准分类》,指标主要包括盐浓度、可渗透性、具体离子毒性及其他方面的指标。国内外标准对灌溉水的指标上存在一些差异。而国内现行的规范标准中还没有温泉废水用于植物灌溉的标准指标。所以,在温泉废水符合国内相近的植物灌溉水指标的同时,有必要参考国外的相关指标。Andrew Ako Ako等认为判断泉水是否适合灌溉,需要考虑残余性碳酸钠含量(RSC)、钠吸附比 (SAR)、盐度危害等指标。现根据重庆市南温泉洗浴用水的测量数据,计算RSC、SAR的值。

计算结果显示:RSC<0,这是由于南温泉洗浴废水中,其阴离子主要是SO2 - 4,与实际相符合。SAR< 3,满足灌溉水要求。

上述温泉洗浴水的指标是有限的,而温泉废水在成分上相对一般灌溉水成分要复杂。目前应运而生的处理技术有人工湿地系统。我国学者路学军、潘继征提出用人工湿地法处理温泉废水。人工湿地处理工艺集中水处理和景观绿化于一体,不仅省去灌溉用水、景观补水,还能提供再生水,保证景观用水的水质、水量,减少了占地、基建、设备、维护等多项投资,实现真正的生态型废水处理。

2.3温泉废水养殖

温泉水用于水产养殖在国内外均有先例。日本利用温泉水养殖甲鱼缩短饲养周期。我国学者在几年前对温泉水养殖方面就有过论述。高举认为人工加温可以提高甲鱼的高效饲养。其中,使用温泉水就是人工加温的方式之一。方国波等认为,稚鳖喜温厌冷,在寒冷季节生长停滞,越冬养殖难度甚大, 而通过温泉水养殖便较好地解决了上述问题。王毅在北方冬季利用温泉水养殖罗非鱼苗种,为了保持养殖水温在25℃以上,根据养殖水温情况酌量加注不同温度的温泉水来调节。黄银生等人认为:内陆地区冬季温度偏低,不利于罗非鱼生长。 随着技术的发展,现可以利用温泉水进行罗非鱼养殖,并产生良好的经济效益。宋宗岩等认为, 利用温泉水可以高密度养殖史氏鳃。试验中,水阻调控最佳适应温度22~24℃。

温泉水经过洗浴后,温泉水中的某些无机盐离子含量、BOD、COD及大肠菌群等显著增加。如果把洗浴水用于水产养殖,一方面,水中有机物将为水生物提供大量的食物,且温泉洗浴水中还有一定的热量, 可以提供养殖中鱼类需要的温度;另一方面,过量的 BOD、COD、细菌及无机盐离子会造成鱼类致命伤害。

王建明通过实验证明:紫外消毒器对养殖污水照射77 s后,能杀灭97.9%的细菌和100%的弧菌,杀菌效果显著。向燕等认为:在养殖水环境中加微生态制剂会调节养殖水生态系统中环境因子,其中的环境因子包括COD、有机物、氨氮、亚硝氮、PO3 - 4-P 等;影响养殖水生态系统中生物群落。

综上考虑:温泉养殖中,鱼类普遍对水质的要求较高。所以在实际养殖过程中需要根据具体情况,控制好养殖中的各个参数,使之符合相关的卫生学标准。

3结论与展望

本文针对温泉水的利用现状,分析了温泉洗浴水在植物灌溉、水源热泵、水产养殖三方面的应用及其前景。温泉水作为一种宝贵的地下水资源,其综合再生利用不仅能缓解水资源短缺的问题,还与环境保护、可持续发展的时代主题相契合。温泉废水经过湿地系统处理后,达到《城市污水再生利用景观环境用水水质》标准,可用于湿地周围的景观用水。此外,还可利用温泉水余热进行温差发电。该项发电技术具有无运动部件、体积小、重量轻、移动方便和可靠性高等特点,是绿色环保的发电方式。还可用于温泉废水回灌,既能避免地热弃水造成的环境污染问题,又可以将热储固体的热再汲出,延长热田寿命。总之,温泉废水的综合利用拓宽了温泉资源的利用渠道,符合国家可持续发展的战略要求。