CN105481108B - 一种塔式跌水除水中暂时硬度设备 - Google Patents

一种塔式跌水除水中暂时硬度设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种塔式跌水除水中暂时硬度设备，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，该设备按照净水单元的不同分为三段，各管道采用法兰连接而成；设备分为加酸混合单元，跌水除碳单元，集水单元。加酸混合单元所加药剂为盐酸，混合的目的是使原水与药剂充分混合反应，这一单元作用是去除水中的HCO3 ‑，跌水除碳单元是为了去除上一单元反应产生的溶解于水中的CO2，集水单元作用是搜集处理后的水，并加药剂(氢氧化钠)调节pH值至正常水平。设备各功能单元衔接紧凑，原理简单，安装拆解方便，可根据不同要求调节设备规模大小，针对暂时硬度大的原水具有很高的水垢去除率。

Description

一种塔式跌水除水中暂时硬度设备
技术领域
本发明涉及给水技术领域的设备，具体指一种塔式跌水除水中暂时硬度设备。
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种塔式跌水除水中暂时硬度设备，摆脱去除钙镁离子的传统想法，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：
一种塔式跌水除水中暂时硬度设备，包括依次连通的加酸混合单元、跌水除碳单元和集水单元，其中：所述的跌水除碳单元包括由上到下依次叠设的多个跌水台组成的塔式构件，跌水台的台面面积由上到下依次增大，集水单元围绕在跌水除碳单元的底部；所述的加酸混合单元将酸与待处理水混合得到含有二氧化碳气体的水，含有二氧化碳气体的水以重力为动能沿跌水除碳单元的跌水台流动逸出水中的二氧化碳气体，逸出二氧化碳气体的水由集水单元进行收集。
进一步的，所述的跌水除碳单元还包括顶部出水模块，所述的多个跌水台由上到下依次同轴叠设在顶部出水模块下方，来自加酸混合单元的含有二氧化碳气体的水由顶部出水模块排出并依次沿多个跌水台流动逸出水中的二氧化碳气体。
还有，所述的跌水台的边缘设置挡水带，跌水台的外壁上均匀设置多个扩水块。
具体的，所述的挡水带为边缘设置锯齿状的第二出水堰的四边形板体，所述的扩水块的形状为三角形。
可选的，所述的多个跌水台为四级跌水台，一级跌水台、二级跌水台、三级跌水台和四级跌水台同轴叠设在顶部出水模块的下方，一级跌水台的台面面积、二级跌水台的台面面积、三级跌水台的台面面积和四级跌水台的台面面积分别为顶部出水模块横截面面积的九倍、二十五倍、四十九倍和八十一倍。
可选的，所述的多个跌水台为五级跌水台，一级跌水台、二级跌水台、三级跌水台、四级跌水台和五级跌水台同轴叠设在顶部出水模块的下方，一级跌水台的台面面积、二级跌水台的台面面积、三级跌水台的台面面积、四级跌水台的台面面积和五级跌水台的台面面积分别为顶部出水模块横截面面积的二十五倍、八十一倍、一百二十一倍、一百二十一倍和一百六十九倍。
具体的，所述的顶部出水模块为带有出水缓冲槽的四方体状构件，出水缓冲槽的下方与加酸混合单元连通，在出水缓冲槽的四周边缘上均匀设置锯齿状的第一出水堰。
更具体的，所述的加酸混合单元包括进水阀、加酸检修井、加酸阀、第一静态混合器和进水管，进水管的一端上设置进水阀、加酸阀和第一静态混合器，在对应进水阀和加酸阀的地下挖设加酸检修井，进水管的另一端穿过跌水除碳单元为跌水除碳单元提供含有二氧化碳气体的水。
再具体的，集水单元包括集水槽、倾斜板、出水管、加碱阀、加碱检修井、第二静态混合器、出水检修井和出水阀，集水槽围设在跌水除碳单元的底部，在集水槽底部设置倾斜板，出水管与集水槽连通将处理后的水流定向的沿出水管流出；在出水管的后端依次设置了加碱阀、第二静态混合器和出水阀，在对应加碱阀的地下挖设加碱检修井，在对应出水阀的地下挖设出水检修井。
本发明的塔式跌水除水中暂时硬度得构筑物具有以下优点：
1、本发明的塔式跌水除水中暂时硬度设备利用暂时硬度高的水中HCO3 -含量高的特性，使水中HCO3 -先与药剂(盐酸)中的H+发生如下反应：HCO3 -+H+＝H2O+CO2↑，水中产生大量溶解的CO2，降低暂时硬度；再通过跌水除碳单元一层一层的跌水台使水流与空气充分接触，将水中的CO2散逸到空气中，水流仅需通过重力势能完成整个的除碳过程，不仅经济实用，且处理效果好；
2、具体的，本发明的跌水除碳单元中的塔体由若干方形模块拼接搭建而成，便于安装拆解、调节设备规模，将方形模块按金字塔式一级一级搭建而成，其中方形模块上部有圆形突起，可以使其与上一级模块插接安装；而在模块四周有三角形突起或相应的凹槽，可与同级模块插接安装，外部的三角形突起有导流作用，并可在边缘处的模块上插接锯齿形挡水带，使水流均匀流过塔体，安装拆解方便，可根据流量的大小调节塔体的规模；
3、塔式多级跌水，极大减少了CO2扩散到空气中所用时间，为了使大量溶解于水中的CO2在短时间内快速扩散到空气中去，水流自上而下经塔式多级跌水，降低水深，使处理水与空气充分接触；同时跌水使水流流速提高，变成湍流状态，降低了同温度下CO2在水中溶解度。最终提高了CO2扩散到空气中的效率；
4、药剂易采购，价格低，配制简单，无废液产生，盐酸与氢氧化钠是相对常见的药剂，容易购买，成本低廉，配制一定浓度的盐酸溶液和氢氧化钠溶液过程简单；而且处理过程中不产生废液，不会产生污染。
附图说明
图1为本发明的塔式跌水除水中暂时硬度设备主视图；
图2为图1的俯视图，图中箭头表示水流方向；
图3为本发明的顶部出水模块的俯视图；
图4为本发明的第一跌水模块的结构正视图；
图5为图4的俯视图；
图6为本发明的第二跌水模块的结构正视图；
图7为图6的俯视图；
图8为本发明的第三跌水模块的结构正视图；
图9为图8的俯视图；
图10为本发明的挡水带的结构正视图；
图11为图10的左视图；
图12为本发明的第二种塔式跌水除水中暂时硬度设备主视图；
图中的各标号分别表示：1-加酸混合单元、11-进水阀、12-加酸检修井、13-加酸阀、14-第一静态混合器、15-进水管；
2-跌水除碳单元、21-顶部出水模块、210-第一出水堰、211-出水缓冲槽、212-安装孔、22-跌水台、220-第一跌水模块、2201-第一挡水带卡槽、2202-第一卡接块、2203-第一卡接槽、221-挡水带、2211-第二出水堰、2212-挡水带卡块、222-第二跌水模块、2221-第二挡水带卡槽、2222-第二卡接块、2223-第二卡接槽、223-扩水块、224-第三跌水模块、2241-连通孔、2242-第三卡接块、2243-第三卡接槽；
3-集水单元、31-集水槽、32-倾斜板、33-出水管、34-加碱阀、35-加碱检修井、36-第二静态混合器、37-出水检修井、38-出水阀。
具体实施方式
本发明的设计思想是设计一种除水垢效率高、快速去除CO2、操作方便、安装拆解方便，可调节规模的去除水的暂时硬度构筑物。未处理水加药后通过静态混合器实现水与药剂(盐酸)充分混合，水中所含H+增多，与水中的HCO3 -反应生成H2O和CO2，这时水中溶解的CO2增多，当CO2的量超过此时温度下的溶解度时会不断向空气中扩散，但是当水深较深时，会在水面以下形成一个CO2的浓度梯度，使底层CO2无法快速扩散排到空气中。所以本设备以多级跌水的方式，降低水深，增大水面与空气的接触面积使浅层水中的溶解CO2快速扩散到空气中；同时提高水体流速降低了同温度下CO2的溶解度。在塔壁上(即跌水台的周壁上)设置三角形扩水块进行导流，并在边缘处的模块上插接锯齿形的挡水带，使水流自上而下能够均匀流过壁面，再次增大水体表面积，降低水深。而后在塔体底部设置倾斜板将水导流至最低处进行收集。收集水此时pH偏低，需要通过加药管再次投加药剂(氢氧化钠)利用静态混合器充分反应，将处理水的pH调节至正常值。能保证除水垢效率，满足出水要求。
本发明的塔式跌水除水中暂时硬度设备的工作原理是，加入药剂(盐酸)通过静态混合器与原水充分混合，使氢离子与水中的碳酸氢根离子反应生成水和二氧化碳气体，反应后的带有二氧化碳气体的水由进水管经顶部出水模块排至塔体顶部，在重力作用下经由三角形扩水块及边缘处锯齿形的挡水带导流，使水流沿跌水台均匀流下至塔底部，在此过程中处理水经过多级跌水台，降低了同温度下的二氧化碳在水中溶解度，同时在各级跌水台处水深降低，增大水流与空气的接触面积，可以使水流浅层中的二氧化碳快速扩散到空气中，极大提高了除碳效率。入股流出塔体的收集水的pH值偏低，此时再用药剂(氢氧化钠)调节pH至正常值即可。
具体的结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1、图2和图3所示，本发明的一种塔式跌水除水中暂时硬度设备包括加酸混合单元1、跌水除碳单元2和集水单元3，跌水除碳单元2包括由上到下依次叠设的多个跌水台22组成的塔式构件，跌水台22的台面面积由上到下依次增大，集水单元3围绕在跌水除碳单元2的底部；加酸混合单元1将酸与待处理水混合得到含有二氧化碳气体的水，含有二氧化碳气体的水以重力为动能沿跌水除碳单元2的跌水台22流动逸出水中的二氧化碳气体，逸出二氧化碳气体的水由集水单元3进行收集。具体的：
加酸混合单元1包括进水阀11、加酸检修井12、加酸阀13、第一静态混合器14和进水管15，进水管15的一端上设置进水阀11、加酸阀13和第一静态混合器14，将待处理水与酸混合均匀，为了方便对阀门处的检修，在对应进水阀11和加酸阀13的地下挖设加酸检修井12，进水管15的另一端由下到上穿过跌水除碳单元2的中轴到达跌水除碳单元2的顶端，酸与水在进水管15中进行充分的反应得到含有大量二氧化碳气体的水；
跌水除碳单元2包括顶部出水模块21和依次同轴叠设在顶部出水模块21下方的多个跌水台22，顶部出水模块21的底部与进水管15连通使来自进水管15的水由顶部出水模块21流到下方的多个跌水台22上，可选的，顶部出水模块21的结构为一个内部掏空的四方体，四方体内部掏空的空间为出水缓冲槽211，出水缓冲槽211的下方与进水管15连通，在出水缓冲槽211的四周边缘上均匀设置锯齿状的第一出水堰210，在出水缓冲槽211的下边还设置安装孔212方便与跌水台22进行组装固定，来自进水管15的水流充满内部出水缓冲槽211后实现缓冲匀速经锯齿状的第一出水堰210流出实现均匀出水；
多个跌水台22叠设组成的塔式构件的一种方案为四级跌水台，进水管15为一个直角的弯折管，进水管15的一端水平埋设在地下，进水管15的另一端垂直于地面伸向空中，进水管15的顶端与顶部出水模块21的底端连通，一级跌水台以进水管15为中心同轴围设在顶部出水模块21的下方，一级跌水台的台面面积为顶部出水模块21横截面面积的九倍，且一级跌水台的形状为四边形；同理，二级跌水台、三级跌水台和四级跌水台的台面面积分别为顶部出水模块横截面面积的二十五倍、四十九倍和八十一倍；
由于水流在跌水台22上的流动主要以重力作为动力来源，为了能更均匀的在每级跌水台22上进行布水，同时使水流流经路径增多，增大水流与空气的接触面积，加快水流中二氧化碳气体的逸出，在每级跌水台22的边缘设置挡水带，挡水带上设置锯齿状的第二出水堰2211，逐级降低水流的流速，锯齿状的第二出水堰2211有利于水流的均匀布设；另外，在每级跌水台22的侧壁上设置三角形的扩水块223，扩水块223引导水流沿跌水单元的长边路径流动，增加水流与空气的接触时间，使水体中的二氧化碳气体尽可能多的逸出到周围的空气中；
集水单元3包括集水槽31、倾斜板32、出水管33、加碱阀34、加碱检修井34、第二静态混合器35、出水检修井37和出水阀38，集水槽31围设在跌水除碳单元2的底部，可选的一种方案，集水槽31的高度与跌水除碳单元2的最底层的跌水台22和次底跌水台22的高度之和相同，为了能在集中的一点进行处理后的水的收集，在集水槽31底部设置倾斜板32，将处理后的水流定向的沿出水管33流出；由于在前期处理水的过程中加入了盐酸，水体的pH值会偏酸，因此对收集的水体进行pH检测，如果酸度不符合要求，可加入氢氧化钠进行pH值的调节，因此在出水管33的后端依次设置了加碱阀34、第二静态混合器36和出水阀38，为了方便检修在对应加碱阀34的地下挖设加碱检修井35，在对应出水阀38的地下挖设出水检修井37。
结合图12，本发明的多个跌水台22叠设组成的塔式构件的另一种方案为五级跌水台，一级跌水台、二级跌水台、三级跌水台、四级跌水台和五级跌水台的台面面积分别为顶部出水模块21横截面面积的二十五倍、八十一倍、一百二十一倍、一百二十一倍和一百六十九倍；这样设置的目的是使前两级的跌水台22的横向长度大于竖向高度，使开始流下的流速较快的水流减速，保证水流能真正的沿跌水台依次向下流动，水流的流层尽可能的变薄，给水中的二氧化碳气体与空气更加足够的接触时间逸散到空气中；在靠近塔式结构的下层水流速度减慢，可使竖向高度的变化程度大于横向长度，给予水流足够的动力，能更大程度的节省塔式构件的占地面积和建设成本，同时还能保证良好的除碳效果。
为了方便进行跌水除水单元2的组装和搭建，结合图4到图11所示，本发明的跌水台22为三种跌水模块组装成的台体结构，其中第一跌水模块为设置在四边形边角处的四边形块体，结构如图4和图5所示，第一跌水模块220顶部设置四个第一卡接块2202，底部设置四个第一卡接槽2203，第一跌水模块220的三个周壁上分别设置两个凸起的扩水块223，第一跌水模块220的第四个周壁上设置与扩水块形状相同的安装孔，且在第一跌水模块220的其中两个交叉边上设置第一挡水带卡槽2201，挡水带221的底边上设置挡水带卡块2212，两者通过第一挡水带卡槽2201和挡水带卡块2212组装在一起；
第二跌水模块222为设置在跌水台最外边上的四边形模块，结构如图6和图7所示，在相邻两表面设置有两个扩水块223，在其对应另一侧各有两个三角形安装槽，同样顶壁上有四个圆柱形第二卡接块2222，对应底壁上有四个圆柱形的第二卡接槽2223，在其中一外侧表面第二挡水带卡槽2221，可与挡水带221上的挡水带卡块2212组装在一起；
第三跌水模块224为四边形块体，套设在进水管15上或者是设置在非边缘的位置上，第三跌水模块224的四周周壁上分别设置有两个扩水块223，顶壁上有四个圆柱形第三卡接块2242，对应底壁上有四个圆柱形的第三卡接槽2243，第三跌水模块224的中央贯穿设置连通孔2241，该连通孔2241能允许进水管15通过；
因为设备露天运行，所以三种跌水模块均在表面涂有防老化涂层。在塔体搭建过程中，第三跌水模块224套在进水管15上，四周则通过扩水块223与第三跌水模块224、第二跌水模块222或第一跌水模块220的安装孔插接，一级跌水台安装完成后，二级可以通过模块底部的圆形凹槽与一级跌水台上的圆形凸起进行插接，以此方法可搭建满足一定规模要求的塔体。

Claims (7)

1.一种塔式跌水除水中暂时硬度设备，其特征在于，包括依次连通的加酸混合单元(1)、跌水除碳单元(2)和集水单元(3)，其中：
所述的跌水除碳单元(2)包括由上到下依次叠设的多个跌水台(22)组成的塔式构件，跌水台(22)的台面面积由上到下依次增大，集水单元(3)围绕在跌水除碳单元(2)的底部；
所述的加酸混合单元(1)将酸与地下水混合得到含有二氧化碳气体的水，含有二氧化碳气体的水以重力为动能沿跌水除碳单元(2)的跌水台(22)流动逸出水中的二氧化碳气体，逸出二氧化碳气体的水由集水单元(3)进行收集，再用氢氧化钠调节pH至正常值即得饮用水；
所述的跌水除碳单元(2)还包括顶部出水模块(21)，所述的多个跌水台(22)由上到下依次同轴叠设在顶部出水模块(21)下方，来自加酸混合单元(1)的含有二氧化碳气体的水由顶部出水模块(21)排出并依次沿多个跌水台(22)流动逸出水中的二氧化碳气体；
所述的顶部出水模块(21)为带有出水缓冲槽(211)的四方体状构件，出水缓冲槽(211)的下方与加酸混合单元(1)连通，在出水缓冲槽(211)的四周边缘上均匀设置锯齿状的第一出水堰(210)。
2.如权利要求1所述的塔式跌水除水中暂时硬度设备，其特征在于，所述的跌水台(22)的边缘设置挡水带(221)，跌水台(22)的外壁上均匀设置多个扩水块(223)。
3.如权利要求2所述的塔式跌水除水中暂时硬度设备，其特征在于，所述的挡水带(221)为边缘设置锯齿状的第二出水堰(2211)的四边形板体，所述的扩水块(223)的形状为三角形。
4.如权利要求1所述的塔式跌水除水中暂时硬度设备，其特征在于，所述的多个跌水台(22)为四级跌水台，一级跌水台、二级跌水台、三级跌水台和四级跌水台同轴叠设在顶部出水模块(21)的下方，一级跌水台的台面面积、二级跌水台的台面面积、三级跌水台的台面面积和四级跌水台的台面面积分别为顶部出水模块(21)横截面面积的九倍、二十五倍、四十九倍和八十一倍。
5.如权利要求1所述的塔式跌水除水中暂时硬度设备，其特征在于，所述的多个跌水台(22)为五级跌水台，一级跌水台、二级跌水台、三级跌水台、四级跌水台和五级跌水台同轴叠设在顶部出水模块(21)的下方，一级跌水台的台面面积、二级跌水台的台面面积、三级跌水台的台面面积、四级跌水台的台面面积和五级跌水台的台面面积分别为顶部出水模块(21)横截面面积的二十五倍、八十一倍、一百二十一倍、一百二十一倍和一百六十九倍。
6.如权利要求1所述的塔式跌水除水中暂时硬度设备，其特征在于，所述的加酸混合单元(1)包括进水阀(11)、加酸检修井(12)、加酸阀(13)、第一静态混合器(14)和进水管(15)，进水管(15)的一端上设置进水阀(11)、加酸阀(13)和第一静态混合器(14)，在对应进水阀(11)和加酸阀(13)的地下挖设加酸检修井(12)，进水管(15)的另一端穿过跌水除碳单元(2)为跌水除碳单元(2)提供含有二氧化碳气体的水。
7.如权利要求1所述的塔式跌水除水中暂时硬度设备，其特征在于，集水单元(3)包括集水槽(31)、倾斜板(32)、出水管(33)、加碱阀(34)、加碱检修井(35)、第二静态混合器(36)、出水检修井(37)和出水阀(38)，集水槽(31)围设在跌水除碳单元(2)的底部，在集水槽(31)底部设置倾斜板(32)，出水管(33)与集水槽(31)连通将处理后的水流定向的沿出水管(33)流出；在出水管(33)的后端依次设置了加碱阀(34)、第二静态混合器(36)和出水阀(38)，在对应加碱阀(34)的地下挖设加碱检修井(35)，在对应出水阀(38)的地下挖设出水检修井(37)。
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