石灰軟化法除硬度

1、石灰軟化法使用石灰軟化硬水的方法稱為石灰軟化法，又稱石灰純堿軟化法，在硬水中加入消石灰，使水中的鎂生 成氫氧化鎂沉淀，這樣，加入碳酸鈉使水中的鈣生成碳酸鈣而沉淀，硬水即變?yōu)檐浰?，利用這種方法可使水 中鈣濃度降低到1035ppm=其化學(xué)反應(yīng)式如下：CaSO4+Na2CO3CaCO3 +Na2SO4CaCI2+Na2C8CaC03 +2NaClMgSO4+Na2CeMgCO3+Na2CO3MgCO3+Ca(OH)2CaCO3 +Mg(OH)采用石灰軟化法處理高硬度含氟地下水，考察了藥劑投量、反應(yīng)時間對處理效果的影響。結(jié)果表明，在CaO和Na2CO3的投量分別為187和106mg/L并反應(yīng)25min

2、的條件下，再投加 10mg/L的聚合氯化鋁鐵和 0. 25mg/L的PAM可將出水濁度降至 1NUT以下；若要將出水總硬度分別降至400、300、200mg/L,在略高于理論投藥量的條件下，需控制攪拌反應(yīng)時間分別為25、35、50min ;水中氟化物可通過與軟化過程中生成的Mg(OH 2形成共沉淀而得到有效去除，但由于出水pH值過高，需進(jìn)行調(diào)節(jié)。華東地區(qū)某市因地表水污染嚴(yán)重，計劃適度開采高儲量的地下水作為飲用水水源(開采量約為5. 0X 10m /d) 。取樣分析結(jié)果表明， 該市地下水清澈透明， 但水中硬度和氟化物含量不達(dá)標(biāo)， 為保證居民飲水安全， 需對該地下水進(jìn)行軟化及除氟處理。降低水中硬度

3、的常用方法有離子交換法、電滲析法及藥劑軟化法等。其 中離子交換法和電滲析法均存在造價高、運(yùn)行費(fèi)用高等缺點(diǎn)；石灰是藥劑軟化法中最常用的藥劑，其價格較 低，但如果用量不當(dāng)，則會造成出水水質(zhì)穩(wěn)定性欠佳，給實(shí)際操作管理帶來麻煩，因此有必要進(jìn)行試驗確定 藥劑用量。去除氟離子的常用方法有電化學(xué)法(電凝聚、電滲析)、 49 第23卷第13期中國給水排水www. watergasheat . corn 混凝沉淀法和離子交換法等。 。目前，國內(nèi)外對去除水中氟離子的研究多集中 在去除廢水中高濃度氟離子方面，而對水中低含量氟離子去除的報道卻較少。針對該市地下水硬度高、含氟 量較低及取水量大等特點(diǎn)，筆者采用石灰軟化絮

4、凝法處理該地下石灰軟化法處理飲用水硬度試驗一、概 述 隨著北京市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，對水質(zhì)的要求日益強(qiáng)烈。近年來地下水大量開采， 加之環(huán)境污染，引起地下水水質(zhì)惡化，有些已嚴(yán)重威脅了水源廠的供水安全。北京市高硬度地下水主要分布 在城近郊區(qū)和較大居民點(diǎn)附近，以及污水、垃圾集中地區(qū)；淺層水硬度大于深層水硬度（個別點(diǎn)除外） ；污 水灌溉地區(qū)地下水硬度大于清水灌溉地區(qū)。在 169 眼水質(zhì)監(jiān)測井中， 1999 年總硬度的檢出含量在 117.6-1070.9mg/L 之間，其中檢出值大于 450mg/L 的井有 78 眼，占檢測井總數(shù)的 46.15%。根據(jù)國家地下 水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T1484

5、8-93，地下水總硬度共分五類，地下水中總硬度超標(biāo)井（W類、V類）數(shù)達(dá)46.15% ,而總硬度含量較低的井（I類、H類）僅占26.63%。1999年城近郊區(qū)地下水總硬度分布圖見附件。近期從水質(zhì)化驗中發(fā)現(xiàn)某廠有 45 口井出水硬度超過國家規(guī)定的生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)450mg/l（以CaC03計），其中23 口井的硬度超過 500mg/l ,有九口井的硬度超過 550mg/l ,其中最高硬度達(dá)到 617mg/l。超標(biāo)水水量為26.5 萬噸,占總水量的 66.35%,為保證全廠出水硬度符合國家標(biāo)準(zhǔn) ,已停用 8 口硬度在 550mg/l 以上的井 ,減少水 源能力 4.327 萬噸/日.根據(jù)近年來水質(zhì)

6、檢測結(jié)果 ,水源井硬度始終居高不下 ,而且呈逐年上升的趨勢 ,其結(jié)果 必然導(dǎo)致水源及配水能力的減少 , 對北京市的發(fā)展及人民生活的提高產(chǎn)生不利的影響，因此，作為北京市城 市供水的重要水源 - 地下水， 其水質(zhì)的好壞直接影響到市民的身體健康和城市發(fā)展。可見尋求經(jīng)濟(jì)可行的飲用水去除硬度技術(shù)已成為當(dāng)務(wù)之急。硬水軟化方法主要有離子交換法、藥劑軟化法和膜分離法。目前就某廠 地下水進(jìn)行了石灰軟化法處理飲用水硬度試驗， 同時將要開展納濾膜處理飲用水硬度試驗， 比較二者優(yōu)缺點(diǎn)， 為解決地下水硬度問題提出可行性方案。本文根據(jù)石灰軟化法處理飲用水硬度試驗，作一總結(jié)，提出可行性 的石灰軟化工藝流程。二、原理及試驗工

7、藝流程藥劑軟化是通過投加化學(xué)藥劑以提高pH值，使Ca2+和 Mg2+分別以CaC03和Mg（OH 2的形式在水中沉析出來。水的藥劑軟化工藝過程，就是根據(jù)溶度積原理，按需要投加化學(xué)藥劑于原水中，使之與水中鈣、鎂 離子反應(yīng)生成沉淀物如 CaC03和Mg （OH 2,常用的藥劑軟化法為石灰法、石灰-純堿法與石灰-石膏法，本試驗采用石灰法。軟化設(shè)備采用錐型反應(yīng)器，錐型反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)為圖1 所示：錐型反應(yīng)器是把軟化所需要的混合、反應(yīng)和沉淀三種作用綜合在一個設(shè)備內(nèi),原水和石灰乳都從錐底 沿切線方向進(jìn)入反應(yīng)器,使水和石灰乳混合,水流以螺旋式上升,通過一層懸浮的渣層,軟化反應(yīng)產(chǎn)生的碳 酸鈣結(jié)晶在這些顆粒的表面,

8、使水得到軟化。由于碳酸鈣的結(jié)晶,顆粒逐漸增大,以致不能懸浮而下沉后, 通過排泥口把下沉顆粒排掉。從小試試驗結(jié)果表明,軟化水量為 3.5m3/h ,石灰投加量為 400 mg/l （以商品計）時,軟化和過濾對硬 度和堿度的去除效果較好,在小試期間,硬度基本可降至250-300 mg/l 范圍內(nèi),堿度可降至 70 mg/l 左右,軟化水出水濁度平均為 150NTU經(jīng)過濾池后濁度平均為0.5NTU左右，pH值在10.3左右，濾柱的反沖周期在 30 小時以上。石灰軟化法對總硬度的去除效果是令人滿意的,去除率基本上可以保持在40-50%之間,在小試的基礎(chǔ)上進(jìn)行了中試試驗, 第一階段中試試驗是在小試的基礎(chǔ)

9、上增加了回流池,其主要目的是把濾罐反沖洗水排到回流池,再通過回流泵打入錐形反應(yīng)器內(nèi),重結(jié)晶和沉淀,最后由錐型反應(yīng)器的排泥口排 出。中試試驗第一階段工藝流程如下圖2 所示：圖2中試試驗第一階段工藝流程第一階段中試試驗的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況來看，錐形反應(yīng)器對硬度的去除效果是令人滿意的，去除率基本上可以保持在40-50%之間，但出水濁度不穩(wěn)定，顆粒細(xì)小，沉降性能較差，增加了濾罐的負(fù)荷，導(dǎo)致濾罐運(yùn)行穩(wěn)定 性較差，主要反映在出水濁度突然增高，運(yùn)行周期短，反沖洗時間不宜掌握，回流池的回流水量不易控制。 基于以上現(xiàn)象，增加沉淀池，降低濾罐進(jìn)水濁度，增加濾罐運(yùn)行周期，才能保證出水濁度達(dá)到國家飲用水水 質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。為了解決中試

10、試驗所出現(xiàn)的問題，為處理高硬度水質(zhì)問題提供切實(shí)可行的依據(jù)，在此基礎(chǔ)上針對某井進(jìn)行硬水軟化處理（硬度為530mg/L,堿度為320 mg/L ）第二階段中試試驗。第二階段試驗工藝流程如下圖3所示。圖了水質(zhì)軟化工莒流程圖設(shè)備參數(shù)：1. 水泵：流量140m3/h。2. 錐形反應(yīng)器：底口直徑0.8m、高6.8m、 錐角30、 停留時間16.6分鐘。3. 過濾：采用4個2400濾罐，雙層濾料分別為均質(zhì)無煙煤和石英砂，高度均為0.4m，濾料粒徑無 煙煤為0.95mm,石英砂為 0.7-0.9mm、濾速為4.69-4.97m/h。4. 清水池：平面尺寸 8X6m深3.5m、有效水深3.5m、有效容積120m

11、3池內(nèi)設(shè)配水泵一臺、單臺水 量145 m3/h、反沖水泵一臺、單臺水量200 m3/h、反沖強(qiáng)度為12L/m2.s。此外還設(shè)有液位計一臺。5. 回流池：過濾罐反沖水進(jìn)入回流池，池內(nèi)設(shè)回流泵一臺，平面尺寸5X4m有效水深2.5m、有效 容積50 m3.6. 加藥池：共設(shè)2個，單個平面尺寸3X 3m深3.2m、有效水深2.5m、有效容積22.5m3、總?cè)莘e45m3每池藥液可用2-3天、每個池內(nèi)設(shè)有攪拌機(jī)一臺、超聲波液位計一臺、加藥池設(shè)加藥泵一臺、變頻控制、供 藥藥泵一臺、人工調(diào)節(jié)。7. 沉淀池：沉淀池面積 11.9m2、斜板長度1m沉淀區(qū)高1.2m、清水區(qū)高度1.03m、上升流速3mm/s。8.

12、控制室：建筑面積 20m2內(nèi)設(shè)配電和自控設(shè)備三、工藝參數(shù)1、處理水量140m3/h2、石灰乳濃度（以 CaC計）10%3、石灰注入量400mg/l4、 聚合氯化鋁絮凝劑投加量（以原液計）8-20L/ h 、密度1.25在本試驗中，水質(zhì)分析項目及其分析方法為：1、總硬度：EDTA絡(luò)合滴定法；2、總堿度：采用甲基紅-亞甲基藍(lán)指示劑、H2SO4商定法；3、pH:采 用pH計測定法；4、濁度：采用濁度儀測定法四、試驗結(jié)果與分析1. 對硬度的去除效果對硬度的去除效果曲線如圖4所示：6O&號序20從圖4中可知，整個試驗過程中，對硬度的去除效果比較穩(wěn)定，原水硬度平均為530 mg/L，出水硬度基本上保持在2

13、30-320mg/L范圍內(nèi)。就被處理的井來看，水質(zhì)、水量比較穩(wěn)定，因此軟化水的硬度穩(wěn)定性主 要取決于加藥量的變化。石灰乳投加量直接影響pH值的變化，圖5為軟化水pH值與硬度的關(guān)系曲線。圖5中顯示，當(dāng)pH值在8.5左右時，總硬度處理到320mg/L，隨著pH值逐漸增大，總硬度逐漸下降，當(dāng)pH為10.3時，硬度下降到最低值。由于被處理的井為水源井，處理后的水經(jīng)過清水池混合后送出，pH的提高不會對出廠水產(chǎn)生重大影響。2. 濁度的變化狀況1 ）混凝沉淀池單元（1）對濁度的去除效果軟化產(chǎn)生的沉淀物比較細(xì)小，沉降速度慢。因此投加混凝劑以形成較大的顆粒，通過沉淀池進(jìn)行沉淀, 降低濾池的進(jìn)水濁度。圖 6中所示

14、錐型反應(yīng)器和混凝沉淀池出水濁度隨加藥量的變化情況。弼 3050&7 6F 號 笳 114141.4?傕里民啓器厘水遺恿口屈除五謖哋由水濁庶從圖中可知，錐形反應(yīng)器出水濁度基本大于200NTU其一部分來自回流池的反沖洗水，另一部分為軟化反應(yīng)生成的細(xì)小碳酸鈣和氫氧化鎂顆粒。當(dāng)隨著加藥量（聚合氯化鋁以原液計）的增加，混凝沉淀池的濁度逐漸下降，加藥量為 38mg/L時，出水濁度為 60-90NTU;加藥量為50-67mg/L，出水濁度為40-50NTU;加藥 量為93-143mg/L，出水濁度為 10-30NTU。（2）沉淀池排泥沉淀池的排泥是運(yùn)行的重要問題，關(guān)系到整個工藝是否能正常運(yùn)行，若排泥不正常，

15、增加操作的困難， 影響出水水質(zhì)。本試驗采用斗底排泥，在斗底部設(shè)置閘門，利用凈水壓排泥。從沉淀池排泥次數(shù)來看，排泥 時間依據(jù)沉淀池上清液出現(xiàn)高濁的情況而定。運(yùn)行初期沉淀池排泥一天一次，試驗中期8小時一次，試驗后期需連續(xù)排泥，才能保持沉淀池正常運(yùn)行。這種情況主要由于長時間運(yùn)行，造成底部污泥壓實(shí)，不宜排放， 泥斗體積縮??；另外由于回流池回流水濁度過高，造成沉淀泥渣過多。2）工藝各單元出水濁度的變化(nuo 悝增來！F1155 $ yn4.斗3.$ 乙 21.la.D1涯旌祝避池建水濁慮一迪迪蟲水迪底圖7錐形反應(yīng)器出水濁度為 200NTU以上時，混凝沉淀池、濾罐出水濁度的變化曲線。對于現(xiàn)有工藝設(shè)備，從

16、圖7試驗結(jié)果表明錐型反應(yīng)器出水濁度大于200NTU時，當(dāng)加藥量為50-143mg/L，沉淀池出水濁度為 10-45NTU,濾罐出水濁度基本上保持在0.5NTU以下。圖8為未設(shè)置混凝沉淀濾后水和增加混凝沉淀濾后水濁度的變化曲線。20100 1205 J 3 2 1時間(h)-耒加琨謹(jǐn)五譴謹(jǐn)曜由水T憎加混咼五譴趣曜3水從圖8中可知，增加混凝沉淀后濾罐出水濁度穩(wěn)定，基本保持在0.5NTU以下，而未設(shè)置混凝沉淀濾后水濁度不太穩(wěn)定，變化比較明顯。圖9為濾罐的運(yùn)行周期。21.0 宀i.e | 1. 4 亠12 豊1 *0.80,6 & 040.2J1T視確沆淀啟過披一未加混曜坑謖啟過就Jf1t/ /牛一一

17、 L一 *、+4U05101520253035時間Ch圖9中顯示增加混凝沉淀的工藝，濾罐進(jìn)水濁度為20-40NTU,濾罐運(yùn)行周期達(dá) 32小時后，濾后水濁度稍有增加；而未設(shè)置混凝沉淀的工藝，濾罐進(jìn)水濁度為170NTU時，濾罐運(yùn)行10小時后，濾后水濁度突然增加，反沖洗周期只為 10小時。因此混凝沉淀工藝處理單元對過濾的穩(wěn)定運(yùn)行，保證濾后水濁度起到關(guān)鍵的 作用。五、硬度軟化試驗各階段比較小試、中試第一階段和第二階段各工藝流程如下:小試工藝流程石灰乳原水一儺型反應(yīng)器一煤砂蕊柱一清水也石灰乳I中試第一階輕，原水亠錐型陵應(yīng)器一煤砂痣罐清水池T IJ回碗石次乳J中試第二階段.原水一錐型反應(yīng)器一混確沉淀也一煤

18、砂海耀一浩水池tII-回瀟也 -表：各階段試驗比較反應(yīng)器出水濁度（NTU濾池運(yùn)行周期（NTU出水濁度狀況（NTU硬度mg/LpH小試15037穩(wěn)定0.52509.5中試第一階段18010穿透現(xiàn)象嚴(yán)重2509.5中試第二階段20031穩(wěn)定0.52509.5從表中可知，三個階段反應(yīng)器出水濁度變化很大，小試因未設(shè)回流池，反應(yīng)器出水濁度很穩(wěn)定，出水濁 度保持在150NTU濾池運(yùn)行良好；中試第一階段因設(shè)回流池，回流水濁度很高，增大反應(yīng)器出水濁度，直 接影響了濾罐的運(yùn)行周期，濾罐運(yùn)行反沖洗周期很短；中試第二階段因設(shè)混凝沉淀單元，降低了濾罐的進(jìn)水 濁度，濾罐運(yùn)行穩(wěn)定，因混凝沉淀的排泥以及反沖洗水造成回流水濁

19、度很高，加大錐型反應(yīng)器的出水濁度， 加大混凝沉淀的負(fù)荷，因此給混凝劑的投加量控制帶來困難。從上述分析可知，回流池的設(shè)置是造成運(yùn)行困 難的主要原因。可以從機(jī)理上做一簡單分析，水中軟化后當(dāng)鈣離子和碳酸根離子在空間借離子鍵相互結(jié)合時，它們就以密堆積的方式排列而成，使正負(fù)離子交替，有規(guī)則的排列，形成以碳酸鈣化學(xué)式表示的離子晶體， 軟化反應(yīng)生成的鈣離子和碳酸根離子能夠結(jié)晶到顆粒表面受許多因素的影響如濃度和空間，軟化反應(yīng)后形成的產(chǎn)物大部分以細(xì)小的碳酸鈣晶體組成無定性的固態(tài)存在，而不能完全以較大的晶體結(jié)晶出來，當(dāng)水上升流速很大時，致使反應(yīng)器出水濁度很高。加之濾罐截留的物質(zhì)大部分以碳酸鈣的細(xì)小顆粒存在，混凝沉

20、淀的沉 淀物質(zhì)也以碳酸鈣為主的絮狀磯花存在，當(dāng)這些物質(zhì)重新返回反應(yīng)器后，不但沒有加速結(jié)晶速度，反而造成 反應(yīng)器出水濁度增大，造成惡性循環(huán)，破壞整個工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。六、費(fèi)用效益分析成本分析：（軟化處理部分估算）1. 人員工資：人均月工資為 2000元，每噸水成本=2000元X4人/3360噸/天X 30天=0.08元/噸2 .電費(fèi)： 配水泵：7.5kWX 24h=180 kWh攪拌器 7.5kWX 24hX 2 =360kWh加藥泵（變頻）0.55kW乂 24h =13.2kWh電動蝶閥 0.2kW乂 24h =4.8kWh0.3kWX 8X 24h =7.2kWh供藥泵 1.5kWhx 24h

21、 =36kWh每月總耗電量 =（180+360+18+13.2+4.8+7.2+36 ） X 30 天=18576kWh每噸水耗電成本=18576X 0.5 元/3360噸/天X 30天=0.09元/噸3. 藥劑費(fèi)（混凝劑和石灰） ：0.06 元/噸4. 折舊費(fèi)計算：折舊以 20年計，每年折舊 5%，設(shè)備費(fèi) 10萬元每年折舊為 10 萬元，每噸水設(shè)備折舊費(fèi) =0.08 元/ 噸5. 運(yùn)輸費(fèi)： 0.05 元/ 噸每噸水處理成本費(fèi) =人員工資 +電費(fèi)+藥劑費(fèi)+折舊費(fèi) +運(yùn)輸費(fèi) =0.08+0.09+0.06+0.06+0.05元/噸=0.34元/噸七、結(jié)論與建議結(jié)論：1. 試驗結(jié)果表明該工藝對總硬

22、度去除效果令人滿意，出水濁度基本保持在 0.5NTU以下，pH穩(wěn)定在9-10之間。全分析結(jié)果表明，原水總放射性的檢測結(jié)果不符合國家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)軟化后符合國家生活 飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。2. 混凝劑的注入量隨水質(zhì)、水量變化而變化，隨反應(yīng)器出水濁度增加，混凝劑投加量增加。斜板工藝 在凈水上的優(yōu)越性建立于良好混凝反應(yīng)的基礎(chǔ)上， 如果不及時調(diào)整混凝劑加藥量或在混合、 反應(yīng)方面存在缺 陷，僅靠斜板內(nèi)短短幾分鐘的沉淀，就無法保證應(yīng)有的沉淀水質(zhì)量。本試驗采用管道混合，混凝效果沒有完 全發(fā)揮出來，同時又由于回流水濁度變化不穩(wěn)定，影響了混凝沉淀效果的穩(wěn)定性。3. 從試驗運(yùn)行來看， 回流水濁度過高造成反應(yīng)器的出水濁度很不穩(wěn)定， 從而影響整個工藝的正常運(yùn)行， 給實(shí)際操作帶來困難。運(yùn)行后期沉淀池排泥頻繁。建議： 建議將回流