CN110550748A - 一种去除水中硬度的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种去除水中硬度的方法，高硬度水在进水区与来自沉淀区的微晶混合后，以上向流形式进入结晶区。在结晶区内投加晶种，与来自结晶区中心加药狭缝管的沉淀剂沿程连续混合，结晶反应体系得以维持在较低的离子浓度积水平。在较低离子浓度积条件下，钙镁离子与沉淀剂离子主要在晶种表面进行非均相结晶，均相结晶被有效抑制，微晶产率大幅降低。少量微晶将在沉淀区由斜板层高效分离，之后落入进水区，重新进入结晶区充当晶种。本发明还公开了一种去除水中硬度的装置。本发明可以实现地下水硬度和浊度的同步达标，晶种一次性投加，无需再次补充，并且结晶单元与沉淀单元有机串联，占地面积小，操作简单。

Description

一种去除水中硬度的方法和装置

技术领域

本发明属于水处理技术领域，尤其涉及一种去除水中硬度的方法和装置。

背景技术

自来水中硬度超标将对日常生活、工业生产造成一定影响，严重时甚至威胁人类健康。工业用水硬度超标引起的结垢还会降低换热设备的效率，导致机械故障。

化学沉淀法去除硬度，基于CaCO₃、Mg(OH)₂等的结晶过程，具有操作简单、去除率高优势，适应性强，最常用硬度去除技术。但化学沉淀法存在问题同样明显，其中最主要的问题是结晶产物颗粒细碎，沉降性能差，出水浊度较高。导致上述问题的主要原因在于常规化学沉淀法的结晶过程属于均相结晶过程，均相结晶过程成核速率快，生成的晶核数量多，难以进一步成长，最终结晶产物为颗粒细碎的微晶，难以沉降。

为克服此问题，中国发明专利CN 106115942 A公布了一种以诱导结晶为原理的水中硬度去除方法，该方法将结晶过程由均相结晶为主调控为以非均相结晶为主，可以有效的降低出水浊度，但出水浊度仍在10NTU以上，达不到《生活饮用水卫生部标准》(GB 5749-2006)的要求，这是因为结晶反应的推动力为结晶体系中钙镁离子和沉淀剂离子浓度的乘积，即离子浓度积，当结地下水中钙镁离子浓度较高时，尽管采用诱导结晶方式，由于结晶体系离子浓度积较高，均相结晶仍不可避免。

中国发明专利CN 105502692 A公布了一种诱导结晶除硬度的优化运行方法和装置，该方法与装置在有效去除硬度的同时，出水浊度也可满足《生活饮用水卫生部标准》(GB5749-2006)的要求，但该方法并未报道对于总硬度超过300mg/L的高硬度地下水的处理效果。而在我国南方地区的山丘区，特别是喀斯特地貌山丘区，地下水硬度往往在450mg/L以上。此外，该方法与装置还需要多次投加晶种，以补充结晶产物外排时引起的晶种流失。

此外，晶种的分布和流化状态也是诱导结晶除硬度的关键。如果晶种流化不充分，在结晶区分布不均，则非均相结晶速率慢，均相结晶率增加，且晶种含量较低的区域将大量发生均相结晶。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种能够抑制硬度去除过程中的均相结晶，并实现非均相结晶的去除水中硬度的方法和装置。

为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：

一种去除水中硬度的方法，向上流动的高硬度水经过结晶区时，与结晶区内加药管沿程连续投加的沉淀剂混合，在结晶区内的晶种上进行非均相结晶，随着反应的进行，结晶产物的粒径不断增大，最终在重力作用下克服上升流的阻碍，下沉至泥渣浓缩区排出，实现高硬度水中硬度物质的去除，结晶区流出的处理水进入沉淀区固液分离，分离出的微晶颗粒回流至结晶区，以补充由于结晶产物排放所引起的晶种流失，上清液则进入集水槽达标排放。

进一步的，高硬度水从进水区进入，与来自沉淀区的微晶混合，经由搅拌区搅拌后进入结晶区。

进一步的，结晶区流出的处理水，进入沉淀区的配水区后改为上向流进行斜板沉淀，发生固液分离，清水进入清水区集水槽达标排放，微晶颗粒被斜板拦截，拦截的微晶颗粒沿斜板表面向下滑动至进水区，与进水混合后循环至结晶区成长，成为新的晶种。

进一步的，所述搅拌区内的搅拌机构搅拌强度为20～50rpm。

进一步的，所述晶种采用45～75μm的方解石，晶种投加量为10g/L。

进一步的，所述结晶区内的上升流速控制在40～80m/h，水力停留时间控制在3～10min。

一种去除水体中硬度的装置，包括底部呈锥形的圆筒主体以及套设于圆筒主体内的内导流筒和外导流筒，所述圆筒主体的底部设有进水管和排渣管，所述内导流筒内中心设有垂直的加药管，所述加药管上沿水流方向设有加药孔；

高硬度水经排水管进入的所述内导流筒内，与加药管沿程连续投加的沉淀剂混合，在内导流筒内的晶种上进行非均相结晶，结晶产物下沉至圆筒主体的锥底并经排渣管排出，内导流筒顶部的出水从内导流筒与外导流筒之间的过水通道进入外导流筒与圆筒主体之间的沉淀区固液分离，分离出的微晶颗粒经过内导流筒底部与圆筒主体之间的泥渣通过间隙与进水混合后回流至内导流筒内，以补充由于结晶产物排放所引起的晶种流失，上清液则进入集水槽达标排放。

进一步的，所述加药管的侧壁上对称设有沿其轴轴向延伸的狭缝，所述狭缝构成加药孔。

进一步的，所述内导流筒内从上到下依次分为结晶区和搅拌区，所述搅拌区内设有搅拌机构，所述加药管设置于所述结晶区内。

进一步的，沉淀区自上至下依次分为清水区、斜板层和配水区，所述内导流筒的外壁与所述圆筒主体的锥底内壁之间形成积泥区，分离出的微晶颗粒经过积泥区聚集后进入泥渣通过间隙。

进一步的，晶种采用45～75μm的方解石，晶种投加量为10g/L。

进一步的，沉淀剂选自NaOH、Na₂CO₃以及Ca(OH)₂中的一种或多种。

具体沉淀剂类型的选择由地下水中硬度类型和碱度决定，沉淀剂的投加量按照化学反应计量关系确定。

优选的，所述斜板层表面负荷3～9m/h；

优选的，所述搅拌机构搅拌强度20～50rpm。

进一步的，所述的结晶区中心设有垂直的加药狭缝管，沉淀剂在整个结晶区高度方向沿狭缝连续进入结晶区。

所述清水区位于斜板层之上，内设锯齿堰集水槽。

进一步的，所述斜板层内设倾角60°、长1.2m的斜板若干块。

进一步的，所述外导流筒和内导流筒直径之比不超过1.2。

原理和优势

发明人研究发现，地下水硬度去除过程引入晶种后，水中结晶过程将以晶种表面的非均相结晶为主，但仍会伴随一定程度均相结晶，生成难以沉降的微晶，影响硬度去除效果。均相结晶发生的程度主要受两个因素影响：一是晶种在结晶区的流化程度，流化程度越高，Ca²⁺、Mg²⁺、CO₃ ^2-和OH^-等构晶离子在水中分散更均匀，与晶种接触越充分，均相结晶率也就越低；二是结晶反应体系中CaCO₃或Mg(OH)₂的离子浓度积(Ca²⁺与CO₃ ^2-的浓度之乘积，或OH^-浓度的平方与Mg²⁺浓度之乘积)，离子浓度积越低，均相结晶反应推动力越低，均相结晶率也就越低。因此，进一步抑制均相结晶的关键在于降低结晶反应体系的离子浓度积。

本发明基于降低结晶反应体系均相结晶率的总体思路，首先在结晶区底部设置搅拌区，通过上升流水和机械搅拌的联合作用，结晶区晶种得以充分流化，从而克服了常规诱导结晶中晶种仅依靠上升水流流化引起的晶种在结晶区分布不均、流化不充分等问题。二是将沉淀剂的投加方式由单点投加改为加药狭缝管沿程连续投加，高硬度地下水自下至上流过结晶区，沿程连续与沉淀剂混合。在沉淀剂投加总量不变情况下，来自沉淀剂或由沉淀剂生成的CO₃ ^2-和OH^-浓度始终维持在较低水平，因此结晶反应体系的离子浓度积也始终维持在较低水平，并且由于结晶反应的进行，离子浓度积还会沿程逐渐降低。

尽管此时均相结晶率已非常低，但仍然不可避免。为从水中高效去除均相结晶产生的微晶，在内导流筒外设置外导流筒，将水流改为下向流，再进入沉淀区进行斜板沉淀，实现固液高效分离，确保出水浊度达标。

此外，为克服定期排泥引起晶种流失，进而导致非均相结晶率降低的问题，在内导流筒和锥筒间留有间隙，斜板沉淀分离的微晶在重力作用下沿锥筒内壁滑落至进水区，与进水混合后循环至结晶区成长，成为新的晶种。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：

1、通过内导流筒内的机械搅拌作用，提高晶种在结晶区分布均匀度和流化程度，抑制自发的均相结晶反应，控制微晶产率。

2、通过沉淀剂自下至上沿程连续投加，控制结晶反应在低离子浓度积条件下进行，抑制自发的均相结晶反应，控制微晶产率。

3、通过内导流筒和外导流筒的设置，将结晶反应单元与沉淀单元在装置内有机串联，装置系统结构简单，同步实现硬度和浊度物质的去除。

4、通过微晶重力回流，利用微晶作为晶种，补充装置定期排渣引起的晶种损失。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

图2为本发明的加药管示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明提供的去除水中硬度装置，圆筒主体由上部大圆筒1、中部倒置锥筒2和下部的小圆筒3组成，内部还设有内导流筒4和外导流筒5。内导流筒4通过支撑肋条6与锥筒2内壁连接固定，并与锥筒2内壁间留有泥渣通过间隙7，外导流筒5通过支撑肋条8与大圆筒内壁连接固定，并与内导流筒4之间留有过水通道9。内导流筒底面与锥筒内壁围成进水区10。

参见图1，内导流筒内自上至下分为结晶区11和搅拌区12。结晶区内投加有晶种。由大圆筒内壁和外导流筒外壁之间共同围成的沉淀区自下至上依次分为配水区14、斜板层15和清水区16，内导流筒的外壁与圆筒的锥底内壁之间形成有积泥区13，其中配水区14与过水通道9相连，积泥区13通过泥渣通过间隙7与进水区10相连，清水区16内设置锯齿堰集水槽17。

本实施例中将沉淀剂的投加方式由单点投加改为加药狭缝管沿程连续投加，高硬度水体自下至上流过结晶区，沿程连续与沉淀剂混合。在沉淀剂投加总量不变情况下，来自沉淀剂或由沉淀剂生成的CO₃ ^2-和OH^-浓度始终维持在较低水平，因此结晶反应体系的离子浓度积也始终维持在较低水平，并且由于结晶反应的进行，离子浓度积还会沿程逐渐降低。

此外，为克服定期排泥引起晶种流失，进而导致非均相结晶率降低的问题，在内导流筒和锥筒间留有间隙，斜板沉淀分离的微晶在重力作用下沿锥筒内壁滑落至进水区，与进水混合后循环至结晶区成长，成为新的晶种。

继续参阅图1，作为本发明的一种优选方案，该装置内还设有搅拌装置，包括位于小圆筒3底部的搅拌机18、穿过进水区10到达搅拌区12的搅拌杆19和位于搅拌区12的搅拌桨20。由小圆筒3围成的空间为泥渣浓缩区，在锥筒底部还设有进水管21和排渣管22。

本实施例在结晶区底部设置搅拌区，通过上升流水和机械搅拌的联合作用，结晶区晶种得以充分流化，从而克服了常规诱导结晶中晶种仅依靠上升水流流化引起的晶种在结晶区分布不均、流化不充分等问题。

同时参阅附图1和附图2，在结晶区还设有加药狭缝管23，上有左右对称的狭缝24，加药狭缝管23与加药管25相连。沉淀剂经由加药管25进入加药狭缝管23，通过狭缝24进入结晶区11与进水相混合。

在实际应用中，锥筒2锥角100～140°，外导流筒5和内导流筒4直径之比不超过1.2，斜板层15内设倾角60°、长1.2m的斜板若干块，配水区14和清水区16水深0.8～1.5m。

上述去除水中硬度装置工作过程如下：

高硬度水由进水管21进入进水区10，与来自泥渣通过间隙7的回流微晶混合后，以上升流形式进入搅拌区12，微晶和水得到均匀混合。高硬度水继续向上进入结晶区11。在结晶区内，晶种在搅拌作用和上升流的联合作用下，在水中均匀分散，并处于良好的流化状态；同时在搅拌作用下，来自加药狭缝管23的沉淀剂与水得到充分混合。水与沉淀剂自下向上沿程连续混合，结晶反应体系的离子浓度积远远低于二者单点混合的情形。

在较低的离子浓度积条件下，Ca²⁺、Mg²⁺、CO₃ ^2-和OH^-等构晶离子得到在流化程度高的晶种表面充分进行非均相结晶，晶种逐渐成长。少量均相结晶生成的微晶随水与下向流形式进入过水通道9，然后在配水区14改为上向流进入斜板层15。

在斜板层15内，水通过斜板沉淀的形式得到高效固液分离，清水进入清水16区，并汇入锯齿堰集水槽16达标排放。微晶则以泥渣形式沉入积泥区12，并在重力作用表通过泥渣通过间隙6排入进水区9，实现微晶在装置内的循环。

随着装置的进行，结晶产物颗粒尺寸不断增加，最终在重力作用下克服上升流的阻碍，向下运动依次穿过结晶区11、搅拌区12和进水区10，落入小圆筒3，经浓缩后定期由排渣管22排出。

本实施例中，结晶区中水体是自下向上沿程连续与来自加药狭缝管的沉淀剂混合，与常规的水与沉淀剂单点混合相比，沿程连续混合使得结晶反应体系具有离子浓度积始终处于较低水平的特征；同时，在机械搅拌和上升水流的联合作用下，结晶区的晶种具有与水混合均匀、流化充分的特征。上述特征可以有效抑制非均相结晶过程中伴随的均相结晶，大幅降低反应体系中微晶产率。

尽管均相结晶已被有效抑制，但仍不可避免。通过外导流筒的设置，将硬度已经达标的水引入沉淀区。在沉淀区，均相结晶产物微晶被高效去除，再在自身重力作用下，进入进水区并随进水重新回到结晶区，起到补充泥渣外排引起的晶种损失的作用，整个处理过程中，可以实现晶中的自动补充，无需再外加补充晶种。

下面将结合具体实施例作进一步说明。

实施例1

实施例1是在以高硬度地下水为水源的某农村自来水处理站开展的实验。地下水总硬度为287～325mg/L，以暂时性钙硬度为主，浊度为0.3～0.5NTU，沉淀剂采用氢氧化钠，投加量80mg/L。实验装置处理规模为10m³/h，内导流筒4直径0.5m，高3.6m，大圆筒1直径2.0m，高3.0m。清水区16、斜板层15和配水区15高度均为1.0m。结晶区11上升流速为50m/h。搅拌桨20的搅拌转速30rpm。晶种采用50μm方解石，投加量为10g/L，一次性投加。

实验期间，装置出水总硬度稳定在80mg/L以下，浊度稳定在1.0NTU以下，满足《生活应用水卫生标准》(GB 5749-2006)的要求。

实施例2

实施例2是在某傍河地下水厂开展的，与实施例1所不同的是。地下水总硬度为300mg/L左右，由永久性硬度和暂时性硬度构成，浊度在0.5NTU左右。沉淀剂采用氢氧化钙和碳酸钠联用方式，根据硬度的组成，确定氢氧化钙投加量为140mg/L、碳酸钠投加量为90mg/L。

实验期间，装置出水总硬度稳定在80mg/L以下，浊度稳定在1.0NTU以下，满足《生活应用水卫生标准》(GB 5749-2006)的要求。

实施例3

实施例3是在某岩溶区城镇自来水厂开展的，与实施例1所不同的是，地下水总硬度为500mg/L以上，浊度为0.2～0.5NTU。沉淀剂采用氢氧化钠，投加量140mg/L。

实验期间，装置出水总硬度稳定在80mg/L以下，浊度稳定在1.0NTU以下，满足《生活应用水卫生标准》(GB 5749-2006)的要求。

对比例1

与实施例1所不同的是，本实施例中，沉淀剂采用单点投加方式，由加药管取代加药狭缝管，在结晶区单点投加。实验期间，装置出水总硬度超过120mg/L，浊度在90NUT以上，不满足《生活应用水卫生标准》(GB 5749-2006)的要求。

当然，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种去除水中硬度的方法，其特征在于：向上流动的高硬度水经过结晶区时，与结晶区内加药管沿程连续投加的沉淀剂混合，在结晶区内的晶种上进行非均相结晶，随着反应的进行，结晶产物的粒径不断增大，最终在重力作用下克服上升流的阻碍，下沉至泥渣浓缩区排出，实现高硬度水中硬度物质的去除，结晶区流出的处理水进入沉淀区固液分离，分离出的微晶颗粒回流至结晶区，以补充由于结晶产物排放所引起的晶种流失，上清液则进入集水槽达标排放。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：高硬度水从进水区进入，与来自沉淀区的微晶混合，经由搅拌区搅拌后进入结晶区。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：结晶区流出的处理水，进入沉淀区的配水区后改为上向流进行斜板沉淀，发生固液分离，清水进入清水区集水槽达标排放，微晶颗粒被斜板拦截，拦截的微晶颗粒沿斜板表面向下滑动至进水区，与进水混合后循环至结晶区成长，成为新的晶种。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述结晶区内的上升流速控制在40～80m/h，水力停留时间控制在3～10min，所述搅拌区内的搅拌机构搅拌强度为20～50rpm。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述沉淀剂选自NaOH、Na₂CO₃、Ca(OH)₂中的一种或多种。

6.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述晶种采用45～75μm的方解石，晶种投加量为10g/L。

7.一种去除水体中硬度的装置，其特征在于：包括底部呈锥形的圆筒主体以及套设于圆筒主体内的内导流筒和外导流筒，所述圆筒主体的底部设有进水管和排渣管，所述内导流筒内设有垂直的加药管，所述加药管上沿水流方向设有加药孔；

高硬度水经排水管进入的所述内导流筒内，与加药管沿程连续投加的沉淀剂混合，在内导流筒内的晶种上进行非均相结晶，结晶产物下沉至圆筒主体的锥底并经排渣管排出，内导流筒顶部的出水经导流筒与外导流筒之间的过水通道进入外导流筒与圆筒主体之间的沉淀区固液分离，分离出的微晶经过内导流筒与圆筒主体之间的泥渣通过间隙与进水混合后回流至内导流筒内，以补充由于结晶产物排放所引起的晶种流失，上清液则进入集水槽达标排放。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述加药管的侧壁上对称设有沿其轴轴向延伸的狭缝，所述狭缝构成所述加药孔。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述内导流筒内从上到下依次分为结晶区和搅拌区，所述搅拌区内设有搅拌机构，所述加药管设置于所述结晶区内。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：沉淀区自上至下依次分为清水区、斜板层和配水区，所述内导流筒的外壁与所述圆筒主体的锥底内壁之间还形成有积泥区，分离出的微晶颗粒经过积泥区聚集后进入泥渣通过间隙。