CN105314769B - 一种一体化去除水垢设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化去除水垢设备，该设备解决了暂时硬度高的水煮沸后有沉淀生成，结垢等问题，一体化去除水垢设备包括由上到下依次设置的集水区、曝气吹脱区和酸调反应区，待处理水与酸在酸调反应区进行混合反应后产生CO₂气体，含有CO₂气体的水流到达曝气吹脱区，通过曝气吹脱的作用使水中的CO₂气体脱逸到空气中，再通过集水区收集脱除CO₂气体的水。设备整体结构简单，各功能单元衔接紧凑，平面空间利用率高，原理简单，操作方便，针对暂时硬度大的原水具有很高的水垢去除率。

Description

一种一体化去除水垢设备

技术领域

本发明为给水技术领域的设备，具体涉及一种一体化去除水垢设备。

技术背景

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设备。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，无成熟工艺和设备。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

针对目前饮用水暂时硬度大易结垢的问题，本发明的目的在于提供一体化去除水垢设备，从去除水中HCO₃ ^-和CO₃ ^2-的角度出发，来降低水中的暂时硬度，减少水垢的产生。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种一体化去除水垢设备，包括由上到下依次设置的集水区、曝气吹脱区和酸调反应区，待处理水与酸在酸调反应区进行混合反应后产生CO₂气体，含有CO₂气体的水流到达曝气吹脱区，通过曝气吹脱的作用使水中的CO₂气体脱逸到空气中，再通过集水区收集脱除CO₂气体的水。

具体的，集水区的高度为0.5～0.8m，酸调反应区的水力停留时间1～5min，曝气吹脱区内水力停留时间为15～25min。

进一步的，包括反应釜，沿反应釜由上到下依次为集水区、曝气吹脱区和酸调反应区；

在所述酸调反应区所在位置的反应釜内设置进水管，进水管与加酸阀连通，在反应釜的底部设置折射板，进水管的进水口设置在折射板的上方，通过折射板的设置使待处理水与酸混合均匀，同时给水流朝向曝气吹脱区运动提供动力。

具体的，所述的折射板的纵向剖面形状为锥形，锥角为146°。

更具体的，所述的进水口为锥形的管口，进水口锥形面与折射板的锥形面同向，进水口的锥角为90°。

进一步的，在所述曝气吹脱区所在位置的反应釜内设置曝气吹脱装置，曝气吹脱装置包括多个曝气盘；曝气吹脱区(B)内的气水比为A/10，A表示待处理水的暂时硬度，单位为mg/L。

具体的，所述的曝气吹脱装置设置在曝气吹脱区与酸调反应区的交界处，且曝气吹脱装置包括深入反应釜内的通气主管，在通气主管上沿垂直于通气主管方向设置多个通气支管，通气支管上设置多个曝气盘。

进一步的，在所述集水区所在位置的反应釜上设置出水堰，在出水堰的外周的反应釜上设置集水槽。

进一步的，在所述反应釜的顶部设置透气盖板，透气盖板上设置多个通气孔。

本发明具有以下优点：

(1)本发明采用上向流除水垢工艺，减少占地面积，提高土地利用率：本发明的一体化去除水的暂时硬度设备为直筒体结构，自下而上依次实现了加药、混合反应、曝气脱除二氧化碳、集水出水等一系列除水垢功能，与传统的去除水的硬度设施相比，本发明各单元衔接紧凑，无效水头损失降至最低，大大减小了占地面积，一次提升，降低能耗；

(2)本发明的处理设备主要针对暂时硬度高的水含HCO₃ ^-的特性，通过酸与水中的HCO₃ ^-反应产生大量溶解的CO₂，在水上向流动过程中，由曝气装置对水中的CO₂进行曝气吹脱，水中的CO₂扩散到空气中，同时提高处理水的pH值；

(3)本发明的装置中主要是在一个反应釜内完成上述过程，通过进水管与反应釜底部的折射板将水流与药剂混匀的同事给水流一个向上的推力，再通过曝气装置的气流进一步的将水流推向釜顶，脱除CO₂气体的同时，实现顶部收集出水；

(4)药剂易采购，价格低，配制简单，无废液产生：盐酸是相对常见的药剂，容易购买，成本低廉，配制一定浓度的盐酸溶液过程简单；而且处理过程中不产生废液，不会产生污染。

附图说明

图1为本发明的一体化去除水垢设备正视图，除图中表示剖视方向的箭头外，其他的实线箭头表示水流方向，虚线箭头表示气流方向；

图2为图1的左视图；

图3为图1沿Ⅱ-Ⅱ的剖视图；

图4为图1中沿Ⅰ-Ⅰ的剖视图；

图5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；

图中的标号分别表示：A-酸调反应区、B-曝气吹脱区、C-集水区；

1-进水管、11-进水阀、12-单向阀、13-静态混合器、14-进水口、2-通气管、21-通气阀、22-通气主管、23-曝气盘、24-通气支管、3-反应釜、31-折射板、32-放空管、33-观察窗、34-检修梯、35-出水堰、36-透气盖板、37-集水槽、38-出水管、39-通气孔；

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

本发明的一种一体化去除水垢设备，其设计思想是给出一种占地面积小、除水垢效率高、各除水垢单元衔接紧凑、组装方便且可移动的一体化去除水的暂时硬度设备。具体的沿竖直方向由上到下依次设置集水区C、曝气吹脱区B和酸调反应区A，原水与酸在酸调反应区内进行混合反应，水中所含H⁺增多，与水中的HCO₃ ^-反应生成H₂O和CO₂，水中产生大量的CO₂气体，这时水中溶解的CO₂气体增多，而后在曝气吹脱区B内进行曝气吹脱，由于空气中CO₂含量很低，通过曝气气流的作用将水中CO₂逸出到空气中，同时水的pH增大，处理后的水由集水区出水进行收集；能保证除水垢效率，满足出水要求，采用纵向布置，各除水垢单元衔接紧凑，占地面积小，空间利用率高，操作方便。

具体的，本发明的一体化去除水垢设备具体包括

结合图1、2、3和4，一种一体化去除水垢设备，包括反应釜3，沿反应釜3由上到下依次为集水区C、曝气吹脱区B和酸调反应区A；待处理水与酸在酸调反应区A进行混合反应后产生CO₂气体，含有CO₂气体的水流到达曝气吹脱区B，通过曝气吹脱的作用使水中的CO₂气体脱逸到空气中，再通过集水区C收集脱除CO₂气体的水，与传统的去除水的硬度设施相比，本发明各单元衔接紧凑，无效水头损失降至最低，大大减小了占地面积，降低能耗；

集水区C的高度为0.5～0.8m，酸调反应区A的水力停留时间1～5min，酸调反应区A的体积可由设计流量和水力停留时间获得。曝气吹脱区B内水力停留时间为15～25min，曝气吹脱区B体积可由设计流量和水力停留时间获得，曝气吹脱区的水深为1.5～5m为宜。

在酸调反应区A所在位置的反应釜3内设置进水管1，进水管1上设置加酸阀，在反应釜3的底部设置折射板31，进水管1的进水口14设置在折射板31的上方，通过折射板31的设置使待处理水与酸混合均匀，同时给水流朝向曝气吹脱区运动提供动力，此处设置的各个结构不仅操作方便，且仅通过一个简单的折射板31的设置就能方便的实现酸与水流的均匀混合，且促使反应后的水流朝上移动进行后续的处理；

折射板31的纵向剖面形状为锥形，锥角为146°，设置这样得角度可使进水口来的水流折向上流；

进水口14为锥形的管口，进水口锥形面与折射板31的锥形面同向设置，进水口14的锥角为90°小于折射板31的锥角，这样的配合会使进水口的水流在折射板的作用下均匀布水，使水流方向折向上流；

为了使酸与水流更加均匀的混合，且能快速的反应，进水管1上还设置进水阀11、异径三通、加药管、单向阀12和静态混合器13；进水管1向左连接进水阀11，进水阀11向左连接异径三通，异径三通上端连接单向阀12，单向阀12连接加药管，异径三通左端连接静态混合器13，静态混合器13连接弯头，弯头下连接进水口14；

曝气吹脱区B所在位置的反应釜3内设置曝气吹脱装置，曝气吹脱装置包括多个曝气盘23，每个曝气盘23的服务曝气面积为0.8～1.2m²；一般可根据曝气池内单位时间曝气量为曝气池设计进水量的6～10倍，曝气区内的气水比为A/10，和曝气盘型号算出曝气盘个数，由设备中水的表面积和曝气盘个数得出每个曝气盘的服务曝气面积。

曝气吹脱装置设置在曝气吹脱区B与酸调反应区A的交界处，且曝气吹脱装置包括深入反应釜内的通气主管22，在通气主管22上沿垂直于通气主管22方向设置多个通气支管24，通气支管24上设置多个曝气盘23；

具体的包括一个与进水管1对应设置的通气管2，通气管2上设置通气阀21，通气管2上连有沿反应釜直径方向设置的通气主管22，在通气主管22上沿垂直于通气主管22方向设置多个通气支管24，通气支管24上设置多个曝气盘23，通气主管22与通气支管24的结构类似于“鱼骨”的结构；

在集水区C所在位置的反应釜3上设置多个出水堰35，在出水堰35的外周的反应釜上设置集水槽37进行集水，出水堰35为菱形，菱形出水堰受水位变化的影响小，在水位变化大时，能够保证出水平稳，菱形出水堰35环绕反应釜3布置一周，菱形出水堰35外侧设置环形集水槽37，集水槽37高出菱形出水堰35顶端高度，防止水流溢出设备，环形集水槽37两侧分别有两个出水管38；

在反应釜3的顶部设置透气盖板36，透气盖板36上设置多个通气孔39；假设气流速度设定为0.1m/s，根据曝气量和通气孔的设定个数计算出通气孔孔径，反应釜3的顶口与透气盖板36采用法兰连接；

另外，为了方便对整体装置反应过程的观察和检修，在反应釜3的中部还设置观察窗33和检修梯34，且在反应釜的底部设置放空管32。

本发明的一体化去除水垢设备的工作过程为：

原水由进水管1进入，药剂(盐酸)通过计量泵再经过单向阀12向原水中加药，然后从进水管1进入静态混合器13，通过静态混合器13充分混合反应，氢离子水中碳酸氢根离子反应生成水和二氧化碳，反应后的水溶液经过进水口14和折射板31在反应釜3底部的酸调反应区A内进行均匀布水；

带有CO₂气体的水流再通过折射板31的作用运动到曝气吹脱区B后，空气通过鼓风进气管进入通气管2，再通过通气主管22和通气支管24输送给各个曝气盘23，曝气盘23曝气后将水流中的CO₂气体逸出进入曝出的气泡中，最后气体通过反应釜3顶端的透气盖板36上的透气孔39进入到大气中；

再通过曝气盘23的气流推送处理后的水经过菱形出水堰35进入环形集水槽37，最后通过环形集水槽37两端的出水管38排出。

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；动态模拟试验装置总体积6.3L，集水区C的高度为3cm，半径为10cm；酸调反应区A的容积为1.26L，区高为5cm，区半径为10cm；曝气吹脱区B的容积为5.03L，区高为16cm，区半径为10cm；

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5。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。

Claims (8)

1.一种一体化去除水垢设备，其特征在于，包括由上到下依次设置的集水区(C)、曝气吹脱区(B)和酸调反应区(A)组成，地下水源水与酸在酸调反应区(A)进行混合反应后产生CO₂气体，含有CO₂气体的水流到达曝气吹脱区(B)，通过曝气吹脱的作用使水中的CO₂气体脱逸到空气中，再通过集水区(C)收集脱除CO₂气体的水，脱除CO₂气体的水即为烧开不产生水垢的饮用水；

具体包括反应釜(3)，沿反应釜(3)由上到下依次为集水区(C)、曝气吹脱区(B)和酸调反应区(A)；

在所述酸调反应区(A)所在位置的反应釜(3)内设置进水管(1)，进水管(1)上设置加酸阀，在反应釜(3)的底部设置折射板(31)，进水管(1)的进水口(14)设置在折射板(31)的上方，通过折射板(31)的设置使待处理水与酸混合均匀，同时给水流朝向曝气吹脱区(B)运动提供动力。

2.如权利要求1所述的一体化去除水垢设备，其特征在于，集水区(C)的高度为0.5～0.8m，酸调反应区(A)的水力停留时间1～5min，曝气吹脱区(B)内水力停留时间为15～25min。

3.如权利要求1所述的一体化去除水垢设备，其特征在于，所述的折射板(31)的纵向剖面形状为锥形，锥角为146°。

4.如权利要求3所述的一体化去除水垢设备，其特征在于，所述的进水口(14)为锥形的管口，进水口(14)锥形面与折射板(31)的锥形面同向，进水口(14)的锥角为90°。

5.如权利要求1所述的一体化去除水垢设备，其特征在于，在所述曝气吹脱区(B)所在位置的反应釜(3)内设置曝气吹脱装置，曝气吹脱装置包括多个曝气盘(23)；

曝气吹脱区(B)内的气水比为A/10，A表示待处理水的暂时硬度，单位为mg/L。

6.如权利要求5所述的一体化去除水垢设备，其特征在于，所述的曝气吹脱装置设置在曝气吹脱区(B)与酸调反应区(A)的交界处，且曝气吹脱装置包括深入反应釜内的通气主管(22)，在通气主管(22)上沿垂直于通气主管(22)方向设置多个通气支管(24)，通气支管(24)上设置多个曝气盘(23)。

7.如权利要求1所述的一体化去除水垢设备，其特征在于，在所述集水区(C)所在位置的反应釜(3)上设置出水堰(35)，在出水堰(35)外周的反应釜(3)上设置集水槽(37)。

8.如权利要求1所述的一体化去除水垢设备，其特征在于，在所述反应釜(3)的顶部设置透气盖板(36)，透气盖板(36)上设置多个通气孔(39)。