CN110550747B - 一种高硬度水除硬方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高硬度水除硬方法，高硬度水首先与循环回流的低硬度地下水混合，经稀释后硬度快速降低，之后进入导流筒中的结晶区。结晶区内地下水以上向流形式，与来自结晶区中心穿孔加药管的沉淀剂沿程逐次混合，结晶反应体系得以维持在较低的离子浓度积水平，并且离子浓度积沿程逐渐降低。在较低的离子浓度积条件下，反应体系中的均相结晶被有效抑制，钙镁离子与沉淀剂离子以构晶离子形式在晶种表面进行非均相表面结晶，微晶产率大幅降低，少量微晶将随循环水流重新进入结晶区充当晶种。本发明还公开了一种实现上述高硬度水除硬装置。

Description

一种高硬度水除硬方法及装置

技术领域

本发明属于自来水处理技术领域，尤其涉及一种高硬度水除硬方法及装置。

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。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。

目前关于硬度去除的技术主要有化学沉淀法、离子交换法、膜分离法和吸附法等。其中离子交换法、膜分离法和吸附法存在工序复杂、操作运行复杂、运行成本高，或者占地面积大等问题。

化学沉淀法基于CaCO₃、Mg(OH)₂等的结晶过程，具有操作简单、去除率高的优势，并且易与混凝、沉淀等净水工艺结合，适应性强，至今仍是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，导致出水浊度较高。

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CN106115942A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***标准》（GB5749-2006）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CN105502692A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***标准》（GB5749-2006）的要求，但该方法并未报道对于总硬度超过300 mg/L的高硬度水的处理效果。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450 mg/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。

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，并实现非均相结晶去除水体硬度的方法和装置。

为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：

一种高硬度水除硬装置，包括：

导流筒，其内从下到上依次分为搅拌区、布水区和结晶区；

外筒，套置于所述导流筒外，所述导流筒和外筒之间的区域构成循环区，所述外筒内位于所述导流筒上方的区域构成固液分离区，所述外筒内位于所述导流筒下方的区域构成泥渣浓缩区；

所述搅拌区设有搅拌叶，所述布水区设有布水管，所述结晶区内装填有处于流化状态的晶种，在结晶区中心还设有垂直的加药管，所述加药管的管壁上沿其高度方向设有若干加药孔。

进一步的，所述固液分离区顶部设有集水槽，所述集水槽与排水管连通。

进一步的，所述布水管包括布水干管和若干与布水干管连通的布水支管，所述布水支管上设有孔眼朝上的穿孔。

进一步的，所述布水干管与所述布水支管纵横交错布置。

进一步的，所述布水支管上穿孔的尺寸沿其内水流方向依次增加。

进一步的，所述泥渣浓缩区呈倒圆锥形，底部设有排渣管。

所述导流筒由连接于外筒内壁的肋条支撑固定；

所述搅拌叶上设有搅拌杆，搅拌杆上端与轴承套相连，下端与位于外筒底部的搅拌机相连。

一种高硬度水除硬方法，使用上述装置，包括如下步骤：

步骤1：高硬度水经布水管通入导流筒，沿导流筒向上流动进入结晶区，与来自加药管沿程多点投加的沉淀剂逐次混合，在导流筒内的晶种上进行非均相结晶，硬度得到降低；

结晶区内结晶产物随着粒径的不断增大，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；

步骤2：从导流筒顶部流出的挟带细小结晶产物的地下水经固液分离区后，分离出的清水直接达标排放，细小结晶产物在搅拌叶提升作用以及自身重力作用下经循环区重新进入结晶区充当新的晶种，以补充由于结晶产物排放所引起的晶种流失。

进一步的，所述导流筒内的上升流速控制在25~40 m/h，所述搅拌叶的搅拌速度为50~200 rpm，循环回流比为0.5~2.5。

进一步的，所述晶种采用45~75 μm的方解石，晶种投加量为10 g/L。

进一步的，沉淀剂一般包括氢氧化钠、碳酸钠和氢氧化钙。具体沉淀剂类型的选择由地下水中硬度类型决定，当以暂时性硬度为主，采用氢氧化钙或氢氧化钠，当以永久性为主，采用碳酸钠，当同时存在钙镁硬度或暂时性硬度与永久性硬度共存，采用碳酸钠和氢氧化钙连用。沉淀剂的投加量按照化学反应计量关系确定。

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，钙镁离子与沉淀剂的结晶将以晶种表面的非均相结晶为主，但仍会伴随一定程度的均相结晶，生成难以沉降的微晶，影响硬度去除效果。其原因在于地下水中硬度物质含量高，相应所需沉淀剂投加量也较高，导致结晶反应体系中结晶产物的离子浓度积过高，即结晶反应推动力过高，均相结晶速率过快，难以全面抑制。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。

本发明基于降低反应体系离子浓度积的思路，将沉淀剂的投加方式由单点投加改为穿孔加药管沿程多点投加，高硬度水自下至上流过结晶区，沿程逐次与沉淀剂混合。在沉淀剂投加总量不变的情况下，结晶反应体系的初始离子浓度积与沉淀剂投加次数即穿孔数量成反比。此后，由于结晶反应的进行，钙镁离子浓度沿程逐渐降低，结晶反应体系的离子浓度积也沿程逐渐降低，整个结晶反应过程始终维持在较低离子浓度积条件下完成。

为进一步降低结晶反应体系的离子浓度积，本发明借助搅拌叶的搅拌作用，将流出导流筒的低硬度地下水在流化床内进行部分循环回流，对进水稀释，快速降低结晶反应体系离子浓度积。

此外，尽管在结晶区仍有极少量均相结晶过程发生，但生成的细小结晶产物（微晶）将在低硬度地下水循环回流过程中，重新回到结晶区继续成长，充当新的晶种，这一方面提高了固液分离区的分离效率，另一方面可以补充定期排渣引起的晶种损失。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：

1、通过沉淀剂沿程多点投加，控制结晶反应在低离子浓度积条件下进行，有效抑制自发的均相结晶反应，控制微晶的产率。

2、通过低硬度水的循环回流，对进水进行稀释，快速降低结晶反应体系的初始离子浓度积，进一步抑制均相结晶反应。

3、通过循环回流，将产生的不易沉降微晶强制回流至结晶区，改善固液分离效果。

4、通过微晶强制回流，利用微晶作为晶种，补充流化床定期排渣引起的晶种损失。

5、低硬度水的循环回流在流化床内实现，整个装置结构简单，高度集成、占地面积小。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

图2为本发明的布水管示意图。

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，本发明提供的高硬度水除硬装置，采用流化床结构型式，分为导流筒1和套设在导流筒1外的外筒2，外筒2底部由支撑腿3支撑，在底部还设有推进式搅拌机4，导流筒1由支撑肋条5连接固定在外筒2内。

其中，导流筒1自下至上分为结晶产物搅拌区101、布水区102和结晶区103。在结晶区103中心设有垂直的加药管6，加药管6的管壁上沿其高度方向均布有若干加药孔；在布水区102和结晶区103的交界面处设有由支撑肋条7支撑的轴承套8，用于定位连接加药管6和搅拌轴401。

外筒2自上至下分固液分离区201、循环区202和泥渣浓缩区203。其中，固液分离区201的底部与结晶区103的顶部直接连通，顶部设有集水槽9，集水槽接有排水管10。沉淀剂投加管11沿固液分离区201底部水平进入流化床，并在结晶区顶部中心与加药管6相连。

循环区包括两个部分，一是导流筒1与外筒2之间的环状空间，二是外筒2自导流筒搅拌区101底部至泥渣浓缩区203顶部的柱状空间。

推进式搅拌机4的搅拌轴401从外筒2的底部向上竖直延伸至导流筒1的搅拌区101内，并且在位于搅拌区101的搅拌轴上设有搅拌叶402，通过搅拌叶的旋转，在流化床外筒2和导流筒1之间形成部分循环流。

参见图1，需要解释说明的是，泥渣浓缩区203设计成倒锥形，在倒锥形的泥渣浓缩区203底部设有排泥管12。

参见图1和图2，可以理解的是，为提高布水的均匀性，布水区102内的布水***由布水干管13和布水支管14组成，布水干管水平穿过循环区202与进水管15相连，布水支管14上设有孔眼朝上的穿孔，布水干管13与布水支管14纵横交错布置且布水支管14上穿孔的尺寸沿其内水流方向依次增加。

在实际应用中，外筒2和导流筒1直径之比一般控制在1.2以内，此时外筒2与导流筒1之间的循环区截面积为导流筒50%以内，循环流向下流动速率可以维持在较高水平，从而顺利挟带微晶回流到结晶区，同时确保固液分离区良好的固液分离效果。

上述高硬度水除硬装置工作过程如下：

高硬度水由进水管进入流化床的导流筒中，经由布水干管和布水支管，在布水区内实现均匀布水，同时，来自加药管的沉淀剂溶液进入到位于结晶区中心的穿孔加药管，以下向流形式流过穿孔加药管。在流动过程中，沉淀剂溶液从沿程布置的多个孔眼逐次计入结晶区，与上向流地下水逐次混合。

在晶种的诱导作用下，钙镁离子和沉淀剂离子以构晶离子形式向晶种表面聚集并在晶种表面发生非均相结晶，地下水硬度沿程逐渐降低，并在结晶区顶部达到水质标准要求后进入固液分离区。同时，随着结晶反应的进行，结晶产物颗粒不断增大，最终在重力作用下克服上升流的阻碍，向下运动依次穿过布水区、搅拌区和循环区，落入泥渣浓缩区，经浓缩后定期排出流化床。

结晶区中地下水是沿程逐次与来自穿孔加药管的沉淀剂混合，与常规的地下水与沉淀剂一次性混合相比，逐次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；同时地下水中钙镁离子浓度沿程逐渐降低，又使得结晶反应体系具有离子浓度积沿程逐渐降低的特征。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。由于均相结晶生成的少量微晶（细小结晶产物），将随硬度已经达标的地下水进入固液分离区。在固液分离区，一部分地下水继续向上流动进入集水槽达标排放，另一部分水流向下运动形成循环回流。由于从结晶区到固液分离区过水面积突增，微晶向上运动速率降低，再在向下运动的循环流和微晶自身重力作用下，微晶将随循环水流运动，穿过循环区、搅拌区和布水区后，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。

此外，来自循环区的回流液在布水区与高硬度水混合。在循环回流液的稀释作用下，地下水中钙镁离子等硬度物质浓度得到迅速降低，并以上向流形式进入结晶区。

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，并且循环回流过程在装置内完成，占地面积小，操作简单。

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287~325 mg/L，以暂时性钙硬度为主，浊度为0.3~0.5 NTU，沉淀剂采用氢氧化钠，投加量80 mg/L。实验装置处理规模为6 m³/h，导流筒1直径0.5 m，高2.5 m，外筒2直径0.6m，高3.5 m。导流筒1搅拌区101、布水区102和结晶区103的高度分别为0.3 m、0.2 m和1.5m。结晶区103上升流速为30 m/h。外筒2固液分离区201、循环区202和泥渣浓缩区203高度分别为0.3 m、2.7 m、和0.5 m。搅拌机4搅拌转速100 rpm，对应循环回流比（外筒回流至导流筒的水量与进水量之比）为1.4。晶种采用方解石，投加量为10 g/L，一次性投加。

实验期间，装置出水总硬度稳定在80 mg/L以下，浊度稳定在1.0 NTU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0.5 NTU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140 mg/L、碳酸钠投加量为90mg/L。

实验期间，装置出水总硬度稳定在80 mg/L以下，浊度稳定在1.0 NTU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500 mg/L以上，浊度为0.2~0.5 NTU。沉淀剂采用氢氧化钠，投加量140 mg/L，搅拌机4搅拌转速150 rpm，对应循环回流比为2.0。

实验期间，装置出水总硬度稳定在80 mg/L以下，浊度稳定在1.0 NTU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，由加药管在布水区单点投加。实验期间，装置出水总硬度超过120 mg/L，浊度在90 NUT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 (8)

1.一种高硬度水除硬装置，其特征在于，包括：

导流筒，其内从下到上依次分为搅拌区、布水区和结晶区；

外筒，套置于所述导流筒外，所述导流筒和外筒之间的区域构成循环区，所述外筒内位于所述导流筒上方的区域构成固液分离区，所述外筒内位于所述导流筒下方的区域构成泥渣浓缩区；

所述搅拌区设有搅拌叶，所述布水区设有布水管，所述结晶区内装填有处于流化状态的晶种，所述晶种采用45~75 μm的方解石，晶种投加量为10 g/L，在结晶区中心还设有垂直的加药管，所述加药管的管壁上沿其高度方向设有若干加药孔，所述加药管的进口设置在加药管的顶部，所述搅拌叶设置在布水管的下方，所述搅拌叶的搅拌速度为50~200 rpm，所述导流筒内的上升流速控制在25~40 m/h；细小结晶产物在搅拌叶提升作用以及自身重力作用下经循环区重新进入结晶区充当新的晶种，以补充由于结晶产物排放所引起的晶种流失，在固液分离区，一部分地下水继续向上流动进入集水槽达标排放，另一部分水流借助搅拌叶的搅拌作用，向下运动形成循环回流对进水稀释，快速降低结晶反应体系离子浓度积。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述固液分离区顶部设有集水槽，所述集水槽与排水管连通。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述布水管包括布水干管和若干与布水干管连通的布水支管，所述布水支管上设有孔眼朝上的穿孔。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述布水干管与所述布水支管纵横交错布置。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述布水支管上穿孔的尺寸沿其内水流方向依次增加。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述泥渣浓缩区呈倒圆锥形，底部设有排渣管。

7.一种高硬度水除硬方法，其特征在于，使用权利要求1-6任一项所述的装置，包括如下步骤：

步骤1：高硬度水经布水管通入导流筒，沿导流筒向上流动进入结晶区，与来自加药管沿程多点投加的沉淀剂逐次混合，在导流筒内的晶种上进行非均相结晶，硬度得到降低；

结晶区内结晶产物随着粒径的不断增大，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；

步骤2：从导流筒顶部流出的挟带细小结晶产物的地下水经固液分离区后，分离出的清水直接达标排放，细小结晶产物在搅拌叶提升作用以及自身重力作用下经循环区重新进入结晶区充当新的晶种，以补充由于结晶产物排放所引起的晶种流失。

8.根据权利要求7所述的高硬度水除硬方法，其特征在于：所述沉淀剂采用氢氧化钠、碳酸钠和氢氧化钙中的一种或多种的组合。

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