CN105314768A - 一种去除水硬度方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种去除水硬度方法及其装置，去除水硬度的方法包括先将待处理水与酸混合进行反应，反应后水中产生大量的CO₂气体，再通过曝气法将水中的CO₂气体吹脱；所述的去除水硬度的方法的装置包括酸调反应曝气池，酸调反应曝气池包括部分连通的酸调反应区和曝气区；待处理水与酸在酸调反应区混合后进行反应，反应后水中产生大量的CO₂气体，当水流到达曝气区后通过曝气法将水中的CO₂气体吹脱。酸调曝气法去除暂时硬度的工艺和构筑物可以广泛的应用于普遍采用暂时硬度高的地下水作为水源的地区，减少水垢的产生，对于解决水垢对居民生活和身体健康存在潜在影响，以及减少锅炉使用时水垢沉积等问题具有重要意义。

Description

一种去除水硬度方法及其装置

技术领域

本发明属于水处理领域，具体涉及一种去除水硬度方法及其装置。

背景技术

地下水是我国居民重要和优质的饮用水水源。大中城市由于用水量大而普遍采用地表水水源地表水源主要包括河流、湖泊、水库等，其特点是硬度低，但是悬浮杂质多，有机物和细菌多，水处理相对复杂，并且易受到外界环境的影响和污染，而将地下水作为城市备用水源。相比于地表水，地下水具有悬浮杂质少，有机物和细菌少，水处理相对容易，并且不易受到外界环境的影响和污染，在中小城市、镇和农村普遍采用地下水水源。

地下水普遍存在硬度和暂时硬度(水垢)高的问题。水垢是在烧开水过程中由暂时硬度形成的，即碳酸盐硬度，是总硬度的一部分，相当于与水中重碳酸盐和少量碳酸盐结合的钙、镁所形成的硬度，当水煮沸时，钙、镁的重碳酸盐分解生成沉淀从而降低水的硬度，可以用煮沸的方法来去除部分硬度。如果硬水中钙和镁主要以硫酸盐、硝酸盐和氯化物等形式存在，即为永久硬度。

水垢多导致饮用开水感官性差，对居民生活和身体健康存在潜在影响。尽管我国《生活饮用水卫生标准》中规定水的总硬度不得超过450mg/L，但对暂时硬度没有限制规定。对暂时硬度较高的地下水供水系统，由于地下水中大量存在的HCO₃ ^-离子，烧开后在水中出现大量沉淀和漂浮物，导致浊度升高，部分水浊度超过5NTU，这与我国饮用水关于浊度和不得有可见物规定矛盾。我国《生活饮用水卫生标准》是在参考WHO和西方发达国家相关标准而制定的，其制定依据是饮用生水，而与我国居民常以烧开水饮用差异较大，前者主要饮用溶解的钙、镁离子，我国居民饮用的是部分离子转化为碳酸钙，长期饮用高碳酸钙水对正常人影响不明。偶尔饮用硬水，则会造成肠胃功能紊乱，即所谓的“水土不服”；用硬水洗衣，肥皂起沫少，造成浪费；用硬水煮饭做菜，不易煮熟；用硬水洗头，会使头发黏结、发脆等；

目前处理高硬度水的技术主要有药剂软化法、离子交换法和膜软化法。经药剂软化处理后的水还有残余硬度，仍然会形成结垢问题，此外产生大量的泥渣。离子交换软化法工艺设备复杂，需要消耗大量的酸或盐做再生剂，成本相对较高。膜软化法运行过程中动力消耗较大，制水成本较高。离子交换法和膜软化法都需要较为繁琐的预处理过程，以减轻主体工艺中树脂或膜材料受到的污染，离子交换使得水中钠离子等增加，产生。

现有的软化技术处理成本高，急需一种经济去除地下水水垢工艺和构筑物。我国常见的地下水源总硬度满足《生活饮用水卫生标准》，但水垢引起的群众不满意投诉多见，现有的处理技术，在水厂需建设复杂和庞大的处理系统，处理成本高。而且从现有研究成果表明溶解钙镁离子对人体无显著影响，寻求经济地处理地下水水垢的技术，对于提高我国饮用开水感官和消除饮用碳酸钙潜在问题非常重要，到目前为止国内外关于地下水硬度处理研究，主要集中于总硬度降低工艺中，而对水垢即暂时硬度研究不多见，无成熟工艺和构筑物。因此本发明着力于寻求出一种简单易行，并且成本相当低廉的处理方法来去除暂时硬度。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种去除水硬度的方法和装置，能对水的暂时硬度进行系统的处理，且使用本发明的装置进行处理，不仅操作简单，且成本低廉。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种去除水硬度的方法，包括先将待处理水与酸混合进行反应，反应后水中产生大量的CO₂气体，再通过曝气法将水中的CO₂气体吹脱。

具体的，所述的酸为盐酸，每升待处理水中加入盐酸的量用S_v表示，

S_v＝23.33×B×C；

S_v的单位为μmol/L；

其中B表示待处理水的暂时硬度；

C表示盐酸的浓度。

更具体的，采用曝气法将水中的CO₂气体吹脱时的气水比为B/10，其中B表示原水的暂时硬度。

另外，所述采用曝气法将水中的CO₂气体吹脱时的曝气时间为5～20min。

实施所述的去除水硬度的方法的装置，包括酸调反应曝气池，酸调反应曝气池包括部分连通的酸调反应区和曝气区；

待处理水与酸在酸调反应区混合后进行反应，反应后水中产生大量的CO₂气体，当水流到达曝气区后通过曝气法将水中的CO₂气体吹脱。

具体的，所述的酸调反应区的水力停留时间为1～5min，所述的曝气区内水力停留时间为15～25min。

更具体的，所述的酸调反应曝气池经隔板分隔为酸调反应区和曝气区，酸调反应区和曝气区由隔板底部部分连通；

隔板底边与酸调反应曝气池池底的高度为0.1～0.2m。

另外，在曝气区的底部设置曝气装置，曝气装置包括通气主管、通气支管和曝气盘，其中，通气主管沿曝气区的长度方向设置，沿垂直于通气主管的方向在通气主管上设置多个通气支管，在通气支管上设置多个曝气盘，每个曝气盘的曝气面积为0.8～1.2m²。

进一步的，在酸调反应区上设置搅拌装置，酸与待处理水混合后通入酸调反应区，通过搅拌装置使待处理水与酸在酸调反应区充分反应。

更进一步的，所述酸调反应曝气池的水深为1.5～5m。

本发明的优点为：

(1)本发明针对暂时硬度高的水中含有HCO^3-的特性，向待处理水中加入稀盐酸，水中HCO^3-与药剂(盐酸)中的H⁺发生如下反应：HCO^3-+H⁺＝H₂O+CO₂↑，水中产生大量溶解的CO₂，水在流入曝气区的过程中，通过曝气对水中的CO₂进行曝气吹脱，水中的CO₂扩散到空气中，提高处理水的pH值，同时，水中引入Cl^-不会对人体的健康造成损害，减少了后续处理的麻烦，经测定，通过本方法处理后的水的硬度基本降为0，且pH均呈碱性；

(2)为了配合本发明的去除水硬度方法，发明人还设计了完成上述方法的装置，该装置主要包括部分连通的酸调反应区和曝气区，酸与待处理水先在酸调反应区进行反应，再到达曝气区将反应后的CO₂通过吹脱的方式排放到空气中，处理后的水再进行排出使用，整个过程可连续进行水硬度的处理，且仅需5～20min的曝气时间就能完成CO₂气体的吹脱，效率高，效果好；

(3)本发明的酸调反应区还设置搅拌装置，曝气池的底部设置多个曝气盘，且待处理水由酸调反应区的顶部流入，处理后的水由曝气区的顶部流出，使新加入的待处理水与酸由酸调反应区顶部到底部进行充分反应后，再由底部的隔板缺口处进入曝气区，通过曝气区的气流将CO₂气体吹脱，同时气流将吹脱后的水流推到曝气区的顶部进行排除，整个过程高效连续；

(4)本发明的装置操作简单、管理方便、可程序化，工艺简单、反应池数量较少、基建费用低廉；化学试剂(稀盐酸)属于常见药剂，易购买、易配制，投加量小、运行费用少，仅仅是酸调反应和曝气两个主要步骤，因此其运行费用低于其他的目标处理工艺。

附图说明

图1为本发明的实施去除水硬度方法的装置的正视图，图中的实线箭头表示水流方向，图中虚线箭头表示气流方向；

图2为本发明的实施去除水硬度方法的装置的俯视图；

图3为实施例1中的水处理前后对比图，a表示处理前水煮沸后的照片，b表示处理后水煮沸后的照片；

图4为实施例2中的水处理前后对比图，a表示处理前水煮沸后的照片，b表示处理后水煮沸后的照片；

图中的标号分别表示：A-酸调反应曝气池、A1-酸调反应区、A2-曝气区、1-加酸检查井、2-进水管、21-进水阀、22-单向阀、23-加药管道混合器、3-搅拌装置、31-搅拌电机、32-搅拌支架、33-搅拌桨、4-隔板、5-曝气装置、51-曝气盘、52-通气主管、53-通气支管、6-出水管；

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

地下水煮沸后产生沉淀的原因是其中的碳酸氢根受热分解，生成碳酸根、二氧化碳和水，生成的碳酸根会与水中的钙镁离子结合，生成碳酸钙和碳酸镁沉淀，从而导致了沉淀的产生。

2HCO₃ ^-＝＝＝＝CO₃ ^2-+CO₂↑+H₂O

CO₃ ^2-+Ca₂+＝＝＝＝CaCO₃↓

CO₃ ^2-+Mg²⁺＝＝＝＝MgCO₃↓

本发明提出一种利用酸调曝气法去除水暂时硬度的方法和装置，针对暂时硬度高的水中HCO3-含量的特性，向原水中加入稀盐酸，水中HCO₃ ^-与药剂(盐酸)中的H⁺发生如下反应：HCO^3-+H⁺＝H₂O+CO₂↑，水中产生大量溶解的CO₂，水在流入曝气区的过程中，通过曝气对水中的CO₂进行曝气吹脱，水中的CO₂扩散到空气中，提高处理水的pH值。

为了保证以最小的盐酸加入量达到最好的水硬度处理效果，每升待处理水中加入盐酸的量用S_v表示，

S_v＝23.33×B×C；

S_v的单位为μmol/L；

其中B表示待处理水的暂时硬度，mg/L；

C表示盐酸的浓度，单位为mol/L；本公式在计算时只取B和C的数值，不取单位。

为了保证以最小的曝气量完成最好的吹脱效果，采用曝气法将水中的CO₂气体吹脱时的气水比为B/10，此公式为经验所得，其中B表示原水的暂时硬度，单位mg/L，本公式在计算时只取B的数值，不取单位。

经发明人实验表明，采用曝气法将水中的CO₂气体吹脱时的曝气时间为5～20min时，就能达到良好的吹脱效果，且水的pH值为碱性；

具体的，完成上述方法的装置是通过以下技术方案实现的：

如图1和图2所示，本发明的实施去除水硬度方法的装置包括进水管2、酸调反应曝气池A和出水管3，其中，酸调反应曝气池A包括酸调反应区A1和曝气区A2两部分，具体说来，酸调反应曝气池A就是一个长方体状上部开口的池体，酸调反应曝气池A的水深可以为1.5～5m，经一个隔板4将池体分隔成两个部分相通的区域，分别为酸调反应区A1和曝气区A2，隔板4的顶边与酸调反应曝气池A的顶边平齐，隔板4的底边与酸调反应曝气池A的池底有一定的距离，使酸调反应区A1和曝气区A2间的水流仅能从池底底部进行交换，隔板4底边与酸调反应曝气池A池底的高度为0.1～0.2m；

酸调反应区A1的水力停留时间1～5min，曝气区A2内水力停留时间为15～25min，酸调反应区A1和曝气区A2的体积可由设计流量和水力停留时间获得；酸调反应区A1和曝气区A2的具体池体尺寸可由设计流量、水力停留时间和有效水深计算获得。

在酸调反应区A1的上方设置搅拌装置3，搅拌装置3包括搅拌电机31、搅拌支架32和搅拌桨33，搅拌电机31与搅拌桨33沿竖向连接，通过搅拌电机31的转动带动搅拌桨33对酸调反应区A1内的水流进行搅动，且搅拌电机31通过搅拌支架32安装在酸调反应区A1的池体边缘上；

在曝气区A2的底部设置曝气装置5，曝气装置5包括通气主管52、通气支管53和曝气盘51，其中，通气主管52沿曝气区A2的长度方向设置，沿垂直于通气主管52的方向在通气主管52上设置多个通气支管53，通气主管52与通气支管53之间的结构类似于“鱼骨”的形状，沿通气支管53的长度方向设置多个曝气盘51，曝气装置5基本布满在曝气区A2的底部，每个曝气盘51的服务面积为0.8～1.2m²；

进水管2由酸调反应区A1的顶部与酸调反应区A1连通，在进水管2上设置有进水阀21、单向阀22和加药管道混合器23，单向阀22与进水阀21和加药管道混合器23之间的进水管2连通，单向阀22作为酸的通路控制阀，原水经进水阀进入进水管2，盐酸经单向阀22进入进水管2，盐酸与原水在加药管道混合器23内部进行充分的混合后沿进水管2进入酸调反应区A1；

盐酸与原水在酸调反应区A1内，通过搅拌桨33搅拌后充分反应，由隔板4的底部进入曝气区A2，在曝气区A2内将在酸调反应区A1内反应生成的二氧化碳吹脱出去，提高处理水的pH值，然后酸调曝气后的处理水经出水管6出水，待处理水由酸调反应区A1的顶部流入，处理后的水由曝气区A2的顶部流出，使新加入的待处理水与酸由酸调反应区A1顶部到底部进行充分反应后，再由底部的隔板4缺口处进入曝气区A2，通过曝气区A2的气流将CO₂气体吹脱，同时气流将吹脱后的水流推到曝气区A2的顶部进行排除，整个过程高效连续；

另外，为了方便进行加酸的控制和检查，在酸调反应区A1的左侧设置加酸检查井1，加酸检查井1的位置对应进水管2上的单向阀22处。

以下是发明人提供的具体实施例，需要说明的是，本发明并不限于下述实施例，所给实施例是对本发明的进一步解释说明。

实施例1：

以陕西省西安市某处地下水为例，在实验室内监测反应器出水总硬度。

实验室中装置的尺寸为：酸调反应曝气池的总体积为6.55L，尺寸为25.6×16×16cm，有效水深8cm；酸调反应区的容积为2.56L，尺寸10×16×16cm；曝气区的容积为3.99L，尺寸为15.6×16×16cm；

待处理水的初始暂时硬度为35.92mg·L^-1，加盐酸量为800ul/L(将计算后的数值取加酸量百位整数进行加入)，水的处理流量为133.1ml/min，盐酸的浓度为1mol/L。

处理前后煮沸后的对比图见图3，经过多个小时的连续运行，结果表明，出水的pH稳定后维持在7.71左右，各个阶段出水暂时硬度都为0，出水沸后较清澈，没有沉淀和漂浮物产生。

实施例2：

以陕西省渭南市某处地下水为例，在中型的仪器中监测反应器出水总硬度。

中型仪器的尺寸为：酸调反应曝气池的尺寸为0.6×1.2×2.3m；酸调反应区的容积为0.43m³，尺寸为1.2×0.6×0.6m；曝气区的容积为1.22m³，尺寸为0.6×1.2×1.7m；

水的初始暂时硬度为35.92mg·L^-1，加盐酸量为800ul/L(将计算后的数值取加酸量百位整数进行加入)，水的处理流量为250ml/min，盐酸的浓度为1mol/L。

经过多个小时的连续运行，结果表明出水的pH稳定维持在7.63左右，出水暂时硬度都为0，出水沸后较清澈，没有沉淀和漂浮物产生。处理前后煮沸后效果见图4。

Claims (10)

1.一种去除水硬度的方法，其特征在于，包括先将待处理水与酸混合进行反应，反应后水中产生大量的CO₂气体，再通过曝气法将水中的CO₂气体吹脱。

2.如权利要求1所述的去除水硬度的方法，其特征在于，所述的酸为盐酸，每升待处理水中加入盐酸的量用S_v表示，

S_v＝23.33×B×C；

S_v的单位为μmol/L；

其中B表示待处理水的暂时硬度；

C表示盐酸的浓度。

3.如权利要求1所述的去除水硬度的方法，其特征在于，采用曝气法将水中的CO₂气体吹脱时的气水比为B/10，其中B表示原水的暂时硬度。

4.如权利要求3所述的去除水硬度的方法，其特征在于，所述采用曝气法将水中的CO₂气体吹脱时的曝气时间为5～20min。

5.实施权利要求1、2、3或4所述的去除水硬度的方法的装置，其特征在于，包括酸调反应曝气池(A)，酸调反应曝气池(A)包括部分连通的酸调反应区(A1)和曝气区；

待处理水与酸在酸调反应区(A1)混合后进行反应，反应后水中产生大量的CO₂气体，当水流到达曝气区后通过曝气法将水中的CO₂气体吹脱。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的酸调反应区(A1)的水力停留时间为1～5min，所述的曝气区(A2)内水力停留时间为15～25min。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的酸调反应曝气池(A)经隔板(4)分隔为酸调反应区(A1)和曝气区(A2)，酸调反应区(A1)和曝气区(A2)由隔板(4)底部部分连通；

隔板(4)底边与酸调反应曝气池(A)池底的高度为0.1～0.2m。

8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，在曝气区(A2)的底部设置曝气装置(5)，曝气装置(5)包括通气主管(52)、通气支管(53)和曝气盘(51)，其中，通气主管(52)沿曝气区(A2)的长度方向设置，沿垂直于通气主管(52)的方向在通气主管(52)上设置多个通气支管(53)，在通气支管(53)上设置多个曝气盘(51)，每个曝气盘的曝气面积为0.8～1.2m²。

9.如权利要求5所述的装置，其特征在于，在酸调反应区上设置搅拌装置(3)，酸与待处理水混合后通入酸调反应区(A1)，通过搅拌装置(3)使待处理水与酸在酸调反应区(A1)充分反应。

10.如权利要求5所述的曝气装置，其特征在于，所述酸调反应曝气池(A)的水深为1.5～5m。