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文檔簡介

1、分類號 學(xué)號 密級學(xué)校代碼碩士學(xué)位論文用石灰軟化絮凝法處理地下水水源硬度試驗(yàn)研究 學(xué)位申請人 陳 濤學(xué)科專業(yè) 建筑與土木工程指導(dǎo)教師答辯日期 陶 濤 教授 唐友堯 教授 A Thesis Submitted in Patial Fulfillment of theRequirements for the Degree of Master of EngineeringStudy on Treatment of Hardness of Underground Water SourceUsing Lime SofteningFlocculation ProcessCandidateMajor : C

2、hen Tao : Architectural and Civil Engineering: Prof. Tao TaoProf. Tang YouyaoSupervisorHuazhong University of Science and TechnologyWuhan 430074, P. R. ChinaMay, 2012獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知,除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外,本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體,均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律

3、結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名:日期: 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定,即:學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版,允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。保密, 在 年解密后適用本授權(quán)書。本論文屬于 不保密。(請?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“”)學(xué)位論文作者簽名:指導(dǎo)教師簽名: 日期: 年 月 日日期: 年 月 日摘 要隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們對飲用水的要求越來越高。農(nóng)村飲用水安全是當(dāng)前各級政府關(guān)心的大事,是反映

4、農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要指標(biāo)。飲用水中硬度的大小直接關(guān)系到人體的健康,硬度過高或過低都會(huì)對人的正常生活產(chǎn)生影響。本文根據(jù)六和水廠地下水水源的水質(zhì)特點(diǎn),比較近年來飲用水硬度處理的一些常用方法,決定采用石灰軟化絮凝法,并利用靜態(tài)燒杯試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)中試試驗(yàn)進(jìn)行地下水源硬度處理試驗(yàn)研究,同時(shí)對試驗(yàn)工藝進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)與技術(shù)分析。靜態(tài)燒杯試驗(yàn)研究了石灰投加量與硬度之間的關(guān)系,確定石灰投加量范圍為180240mg/L;選擇了PAC 作為混凝劑,并確定PAC 的投加量范圍為1530mg/L;同時(shí)還分析了沉淀時(shí)間和過濾條件對試驗(yàn)效果的影響。通過正交優(yōu)化試驗(yàn),確定本地下水硬度處理最優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)為:Ca(OH2投加量=220

5、mg/L,PAC 投加量= 20mg/L,石灰反應(yīng)時(shí)間=10min,沉淀時(shí)間=30min。中試試驗(yàn)采用一體化處理裝置,考察了石灰軟化工藝運(yùn)行效果,并進(jìn)一步探索了石灰投加量和PAC 投加量對試驗(yàn)效果的影響。石灰軟化工藝對硬度去除具有明顯的效果,靜態(tài)燒杯試驗(yàn)的硬度處理率可達(dá)62%,中試試驗(yàn)的硬度處理率在55%67%之間。論文還對離子交換工藝和石灰軟化工藝進(jìn)行了進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析。經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果表明,石灰軟化工藝基建與設(shè)備投資為146萬元,高于離子軟化工藝的30萬元,而石灰軟化工藝的運(yùn)行成本為1.334元/m3,比離子軟化工藝的1.791元/m3低;離子交換工藝雖具有較高的硬度去除率,但是不能去除水中的

6、暫時(shí)硬度,而石灰軟化法則能夠去除水中的HCO 3-離子,從本質(zhì)上解決了出水燒開后產(chǎn)生漂浮物的問題。關(guān)鍵詞:石灰軟化絮凝法 靜態(tài)燒杯試驗(yàn) 中試試驗(yàn) 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析AbstractWith the socio-economic development in our country , peoples requirements on drinking water are increasingly high. And that drinking water safety at rural areas is the major concern of governments at all levels, a

7、nd is an important indicator to reflect the socio-economic development in rural areas Drinking water hardness is directly related to the human body's physical health, and the hardness will affect the normal life of the people whenever is too high or too low.Combining hardness treatment researche

8、s of drinking water in recent years, this thesis studied quality characteristics of groundwater in Liuhe water treatment plant, determined to choose lime softeningflocculation process, and used static jar test and dynamic pilot test, and the economic and technical analysis test process was also take

9、n.Static jar tested the relationship between hardness and lime dosage and determined the lime dosage ranged from 180 to 240mg/L, and PAC was selected as a coagulant and identified its dosage ranged from 15 to 30mg/L. Also affect of precipitation time and filtration conditions on the test results was

10、 studied. Finally, being optimized by orthogonal test, the optimal parameters were as follows: Ca(OH2=220mg/L, PAC=20mg/L, and lime reaction time=10mins, sedimentation time=30mins. With an integrated processing unit, Ithe pilot plant further explored the impact of the lime dosage and PAC dosage on t

11、he results. It was proved that the lime softening process had obvious effect on hardness removal, because the hardness removal rate of static beaker test could be up to 62% and ranged 55% to 67% in pilot tests.Based on the infrastructure and equipment investment and the cost of wate, the paper also

12、carrid on economic and technical analysis both on the ion exchange process and lime softening process. The results show that the technology infrastructure and equipment investment of lime softening was 1.46 million RMBand higher than the ion softening process, which was 300,000 RMB. While the lime s

13、oftening processs operating cost was1.334 yuan/m3, and the ion softening process costed 1.791 yuan/m3;The ion exchange process has high hardness removal efficiency, but it cannot dealwith the temporary hardness; while the lime softening process can remove HCO3-, which essentially solve the problem o

14、f floating debris in the boild effluent.Key words:Lime softeningflocculation process Static jar test Pilot testEconomic and technical analysis目 錄摘 要 . . I Abstract . . I I 1 緒論1.1 概述 . . (11.2 研究背景 . . (11.3 研究目的和意義 . (21.4 國內(nèi)外飲用水硬度處理研究進(jìn)展 . (41.5 研究內(nèi)容 . . (8 2 靜態(tài)燒杯試驗(yàn)研究2.1 石灰軟化法基本原理 . (92.2 試驗(yàn)條件 . .

15、(102.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析 . (122.4 本章小結(jié) . . (18 3 正交優(yōu)化試驗(yàn)研究3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì). (203.2 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析 . (223.3 最佳參數(shù)條件下硬度處理效果試驗(yàn) . (253.4 本章小結(jié) . . (28 4 動(dòng)態(tài)中試試驗(yàn)研究4.1 中試試驗(yàn)工藝流程 . (294.2 中試試驗(yàn)裝置. (294.3 中試運(yùn)行效果及分析 . (314.4 本章小結(jié) . . (38 5 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析5.1 基建與設(shè)備投資分析 . (395.2 制水成本分析. (435.3 技術(shù)分析 . . (455.4 本章小結(jié) . . (47 6 結(jié)論與建議6.1 結(jié)論 . . (496.

16、2 建議 . . (49 致 謝 . . (51 參考文獻(xiàn) . . (521 緒論1.1 概述飲用水是人類生存的基本要求。隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們對飲用水的要求也越來越高。因此,黨中央和國務(wù)院對飲用水安全保障工作高度重視,采取了一系列措施,解決了一些城鄉(xiāng)居民的飲水安全問題。特別是伴隨著政府對新農(nóng)村建設(shè)的廣泛重視,農(nóng)村飲用水問題日益得到廣泛的關(guān)注和重視。農(nóng)村飲用水安全是關(guān)系居民生活質(zhì)量和生命安全的大問題,是反映農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要指標(biāo),是影響居民健康水平的重要因素1。據(jù)調(diào)查,我國農(nóng)村生活飲用水的水源主要以地下水為主,飲用地下水的人口占74.87%,飲用地面水的人口占25.13%;飲用集中式

17、供水的人口占55.10%,飲用分散式供水的占44.90%2。作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為迅速的廣東省,農(nóng)村飲用水安全問題也很突出。2004年,廣東省尚有180萬農(nóng)村人口的飲水困難沒有解決,1600萬農(nóng)村人口飲用水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)3。廣東省農(nóng)村飲用集中式供水的人數(shù)占52.92%,飲用分散式供水的人數(shù)占47.08%,全省農(nóng)村飲用水合格率僅為36.4%4。農(nóng)村飲用水安全是目前亟待解決的重要問題之一。1.2 研究背景三水區(qū)位于廣東省中部,市境西北部,珠江三角洲西北端,總面積約874平方公里。六和水廠位于佛山市三水區(qū)六和鎮(zhèn),始建于1984年,于2008年8月因供水資源整合,加入到佛山水業(yè)集團(tuán)三水供水有限公司。2008年1

18、1月三水供水公司對六和水廠進(jìn)行技術(shù)改造,增加了離子交換制水工藝流程。六和水廠以地下水為水源,取水方式為大口井取水,內(nèi)徑約為1.4米,井深6米,水泵運(yùn)行時(shí)水位最大降幅為5米,從隔水層以下地下河流取水,取水口深約50米。目前,六和水廠采取制水工藝流程如圖1-1所示。再生系統(tǒng)(鹽)次氯酸鈉水塔原水抽水泵緩沖水箱水泵離子交換軟化器出水箱送水泵管網(wǎng)圖1-1 六和水廠離子交換制水工藝流程六和水廠設(shè)計(jì)日供水量為1400 m3,實(shí)際日供水量為800 m3。六和水廠利用送水泵的泵后水塔來調(diào)節(jié)居民及工業(yè)用水量,水塔高30m ,容積約為50m 3,進(jìn)水和出水都是同一條DN80鋼管。水塔利用浮球開關(guān)控制水泵的開關(guān),當(dāng)

19、水塔的水蓄滿后,就自動(dòng)關(guān)閉水泵。六和水廠目前供水服務(wù)范圍:六和圩中心(包括政府行政機(jī)關(guān)單位、公用事業(yè)場所、商業(yè)及娛樂中心等)、十五個(gè)村莊,三間工廠、兩間小學(xué)、一間中學(xué),約6平方公里,服務(wù)人口約5000人。水廠以地下水為水源,地下水清澈透明,水中硬度(以CaCO 3 計(jì))含量為300mg/L,符合地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),但存在的問題就是煮沸后有沉淀或漂浮物,使人感官上無法接受。地下水中經(jīng)常含有的陽離子為鈣、鎂、鐵、錳等,陰離子主要有碳酸氫根、碳酸根、硫酸根、氯、氟等其中鈣、鎂離子以游離態(tài)存在,在碳酸系堿度存在情況下,加熱后易于形成白色沉淀及白色漂浮物質(zhì),這些物質(zhì)成分為碳酸鈣、氫氧化鎂及少量的碳

20、酸鋇。鈣鎂離子對健康不會(huì)造成直接危害,飲用適量的硬水還會(huì)有益于健康。但是會(huì)對生活產(chǎn)生諸多不便,如用水器結(jié)垢、肥皂清潔劑效率低、皮膚干燥、衣物發(fā)硬等5。1.3 研究目的和意義水的總硬度一般指鈣硬度(Ca 2+)和鎂硬度(Mg 2+)濃度的總和,按陰離子組成分為碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度。水的硬度大小直接影響人體的身心健康。飲用硬度過高的水,水會(huì)有股澀味,還會(huì)造成胃腸道功能紊亂,引起腹瀉、腸鳴、頭痛等不適癥狀,長期飲用還會(huì)導(dǎo)致泌尿系統(tǒng)結(jié)石等疾病發(fā)生;蒸餾水等低硬度水,在人體的生理功能得不到發(fā)揮,無法補(bǔ)充人體所需的礦物質(zhì),同樣危害人體健康6。有研究表明,心血管疾病同飲用水的硬度呈逆相關(guān),或者說是同水的

21、軟化程度呈正相關(guān),但這一說法并未完全得到證實(shí)7。我國生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,飲用水的硬度不能超過450mg/L(以CaCO 3計(jì)),優(yōu)質(zhì)水的硬度最好在53.4 mg/L 302.6 mg/L之間。我國有關(guān)飲用水硬度的標(biāo)準(zhǔn)以及其他國家和地區(qū)對飲用水硬度制定各自的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如表1-1、表1-2所示8。表1-1 我國飲用水硬度標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)名稱中國地下水質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)中國建設(shè)部生活飲用水水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中國生活飲用水國家標(biāo)準(zhǔn)中國建設(shè)部飲用凈水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中國建設(shè)部生活雜用水標(biāo)準(zhǔn)中國建設(shè)部建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范 水質(zhì)總硬度(以Ca 2CO 3計(jì)(mg/L 類150,類優(yōu)質(zhì)水300,類450,類550,類>550 類

22、350 類優(yōu)質(zhì)水450 450 300 450 50-300表1-2 其他國家和地區(qū)飲用水硬度標(biāo)準(zhǔn)國家或地區(qū)世界衛(wèi)生組織飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則美國供水工程協(xié)會(huì)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)歐盟飲用水標(biāo)準(zhǔn)加拿大飲用水標(biāo)準(zhǔn)比利時(shí)飲用水標(biāo)準(zhǔn)澳大利亞飲用水標(biāo)準(zhǔn) 水質(zhì)總硬度(以Ca 2CO 3計(jì)(mg/L 飲用水:500 ,優(yōu)質(zhì)飲用水:50 80-100 60 300 60-270 200目前,佛山水業(yè)集團(tuán)三水供水有限公司六和水廠采用的軟化方法是離子交換法,交換柱內(nèi)裝填Na 離子型陽離子交換樹脂。自采用離子交換工藝之后,處理后的總硬度為48mg/L(以CaCO 3計(jì))左右,源水的Ca 2+、Mg 2+去除率很高,處理效果很好,但是C

23、a 2+、Mg 2+含量非常低,未達(dá)到人體對微量元素的需求。長此以往,對村民的健康是沒有好處的。另外,我們知道,離子交換工藝需再生,導(dǎo)致運(yùn)行成本非常高,使得水廠處于虧損狀態(tài)。從水廠的經(jīng)濟(jì)效益和村民的身體健康兩方面分析,六和水廠進(jìn)行工藝改造迫在眉睫。改進(jìn)后的工藝需滿足降低水中硬度,使處理后的水煮沸后無沉淀或漂浮物,并且降低供水成本等要求。另外,三水很多農(nóng)村地區(qū)飲用水水源存在不同的問題,如pH 值偏低、鐵錳超標(biāo)等。農(nóng)村飲用水共同特點(diǎn)是用戶較少,用水量偏小,且水質(zhì)狀況基本相同。因此佛山水業(yè)集團(tuán)試圖探索出一套一體化飲用水處理系統(tǒng),作為農(nóng)村自來水的主體處理單元。不同特點(diǎn)的水源,再輔以相應(yīng)的配套處理設(shè)施。

24、六和水廠技術(shù)改造是探索一體化處理系統(tǒng)的第一步,今后將在三水其他地區(qū)推廣應(yīng)用。1.4 國內(nèi)外飲用水硬度處理研究進(jìn)展國家環(huán)保機(jī)構(gòu)公布的2009年度水資源環(huán)境報(bào)告表明,由于地下水連年超采,我國一些地區(qū)的水源地受到影響,硬度指標(biāo)逐步上升,甚至超過了國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值,尋求經(jīng)濟(jì)科學(xué)的飲用水硬度軟化方法是當(dāng)時(shí)亟待解決的問題。目前,水的軟化處理主要的幾種方法:一是基于濃度積原理,加入某些藥劑,把水中鈣、鎂離子轉(zhuǎn)變成難溶化合物使之沉淀析出,這一方法稱為水的藥劑軟化法或沉淀軟化法;二是基于離子交換原理,利用某些離子交換劑所具有的陽離子(Na +或H +)與水中鈣、鎂離子進(jìn)行反應(yīng),達(dá)到軟化的目的,稱為水的離子交換軟

25、化法;還有基于電滲析原理,利用離子交換膜的選擇透過性,在外加直流電場作用下,通過離子的遷移,在進(jìn)行水的局部除鹽的同時(shí),達(dá)到軟化的目的9。此外,膜軟化法近年來也被逐漸用于水的軟化處理。藥劑軟化法是指根據(jù)溶度積原理,向原水中投加一定量石灰、蘇打等藥劑,與其中的鈣、鎂離子反應(yīng)生成碳酸鈣和氫氧化鎂沉淀,經(jīng)過混合、絮凝、沉淀、過濾等程序,最終達(dá)到降低原水硬度的目的。常用的藥劑有石灰、純堿、苛性鈉、磷酸三鈉等,其中石灰因?yàn)榱畠r(jià)易得而成為最常用的軟化藥劑。國內(nèi)在使用石灰軟化處理飲用水方面有著廣泛的研究和工程實(shí)踐。陳良才等10研究了石灰法處理高硬度含氟地下水的可行性,確定了不同水質(zhì)目標(biāo)對應(yīng)的氧化鈣和碳酸鈉投加

26、量、混凝劑投加量、反應(yīng)和沉淀時(shí)間等參數(shù)。楊云龍等11針對某水廠出現(xiàn)的硬度、濁度處理效果不理想這一問題,研究了不同混凝劑與助凝劑同石灰聯(lián)用對低濁度水硬度和濁度處理的影響,并得出了采用氫氧化鈣加六水合氯化鋁效果較優(yōu)的結(jié)論。一般來說,地下水的濁度不高, 不需投加其它混疑劑。但有時(shí)為了增加混凝效果, 可投加PAC 、聚丙稀酰胺等混凝劑和助凝劑。使用石灰軟化法時(shí),石灰的投加會(huì)影響水的pH 值。作為水處理化學(xué)中最重要的指標(biāo)之一,pH 值對工藝選擇和優(yōu)化運(yùn)行有著重要的影響,如對消毒過程等。芮旻、周建平、于正豐等12綜合分析了pH 值對飲用水處理過程及傳輸?shù)挠绊?,提出按照原水水質(zhì)特點(diǎn)以及出水總體要求,參考水的

27、pH 對工藝處理效果的影響機(jī)理,通過試驗(yàn)驗(yàn)證,合理調(diào)配pH ,在減少浪費(fèi)的前提下達(dá)到最佳效果。不同地區(qū)在進(jìn)行石灰軟化時(shí), 應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)厮|(zhì)實(shí)際情況, 通過燒杯試驗(yàn)觀察不同pH 值下的去除效果, 同時(shí)考慮投藥的經(jīng)濟(jì)性, 確定最佳pH 值。在生產(chǎn)試驗(yàn)中投加Ca(OH2將水溶液調(diào)整為最洼的pH 值。在這種方法中, 水的pH 值和藥劑投加量是關(guān)鍵。通常是在燒杯試驗(yàn)中確定藥劑的最佳投加量,再利用模型試驗(yàn)?zāi)M生產(chǎn),以獲取同實(shí)際接近的參數(shù),最后由生產(chǎn)試驗(yàn)來確定最終的數(shù)值。投加石灰后, 出廠水的pH 值會(huì)較高, 有時(shí)會(huì)超出國家標(biāo)準(zhǔn),因而需在出廠水中應(yīng)進(jìn)行加酸中和, 調(diào)整水的pH 值符合飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。石灰在飲用

28、水處理中的應(yīng)用,很大程度上是用于調(diào)節(jié)水的pH 。很多地區(qū),受自然條件或人為因素影響,導(dǎo)致水源的pH 值過低,因而需要投加石灰等增加水的pH 值。浙江省內(nèi)一些自來水公司應(yīng)用石灰投加系統(tǒng),以解決原水pH 過低的問題,潘海祥和陳士軍對這些使用石灰的自來水公司進(jìn)行了調(diào)研,主要對石灰的投加點(diǎn)、投加量、對礬耗的影響、投加方式及存在的問題進(jìn)行了歸納和分析,并對石灰在生產(chǎn)中的合理性利用提出了建議及措施13。陳明14對石灰、氫氧化鈉、碳酸鈉用于水廠pH 調(diào)節(jié),進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,石灰前投加的成本是最低的。盧建景等15則對散裝石灰投加系統(tǒng)在某水廠中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。蘇培河和柯慶才介紹了一種水廠石灰自動(dòng)投加系

29、統(tǒng),該系統(tǒng)采取重力自動(dòng)投加,出水水質(zhì)穩(wěn)定性好16。石灰投加的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,是保證處理效果、降低運(yùn)行成本的重要保證。石灰用量不當(dāng),會(huì)使出水水質(zhì)不穩(wěn)定,給水廠的運(yùn)行管理帶來困難。于是,一些石灰自動(dòng)投加系統(tǒng)開始應(yīng)用到工程實(shí)際,相應(yīng)的水處理用石灰配置系統(tǒng)裝置國家化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也被制定了出來。廖群等17介紹了一種基于模糊控制的水廠石灰自動(dòng)投加系統(tǒng),該系統(tǒng)具有自動(dòng)投加、pH 閉環(huán)控制、控制參數(shù)診斷、集中報(bào)警等功能。黃曉東等18為了解決自來水廠傳統(tǒng)石灰投加污染嚴(yán)重、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣等問題,介紹了新型散裝石灰投加系統(tǒng)工藝及其工藝參數(shù)計(jì)算方法。石灰軟化法操作簡單,成本低廉,越來越多地被用于飲用水處理

30、當(dāng)中。喬慶云19對江蘇油田某生活居住區(qū)飲用地下水硬度處理進(jìn)行了研究,該工程項(xiàng)目采用石灰軟化處理工藝,改善了水質(zhì)條件,達(dá)到用水要求。陳良才等20采用石灰軟化法處理高硬度含氟地下水,同時(shí)考察了藥劑投加量和反應(yīng)時(shí)間對處理效果的影響。離子交換軟化法的原理是,原水通過陽離子交換體,使鈣鎂離子與交換劑中的鈉離子或氫離子進(jìn)行交換,鈉或氫被取代便達(dá)到水質(zhì)軟化的效果,典型反應(yīng)可用下列離子反應(yīng)式表示:Ca 2+2RNa=R2Ca+2Na2+Mg 2+2RNa=RMg+2Na2+其出水的硬度可降至0.03mmol/L以下,其工作原理是:當(dāng)水流經(jīng)過樹脂層時(shí),陽樹脂中比較活的潑Na+將水中金屬離子交換出來,經(jīng)過一定時(shí)間

31、,當(dāng)出水硬度超過某一規(guī)定值后,離子交換樹脂飽和,不再起軟化作用。為恢復(fù)離子交換樹脂的交換能力,離子交換樹脂必須進(jìn)行再生(又稱還原)。目前常用的離子交換軟化法有Na 離子交換法、H 離子交換法和Na-H 離子交換法等。Na 離子交換法是最簡單的一種軟化方法,董麗華和宋廣波對該法在硬度處理方面的有效作用進(jìn)行了系統(tǒng)闡述,并總結(jié)鈉離子交換法在山東省自來水公司的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)21。李紅艷等22通過試驗(yàn)驗(yàn)證得出結(jié)論,原水的硬度會(huì)對H 離子交換樹脂的軟化效果產(chǎn)生影響。生產(chǎn)過程中交換劑會(huì)被消耗和污染,交換樹脂的再生是必不可少的環(huán)節(jié)。黃光明23對一種新開發(fā)和應(yīng)用的多功能離子交換再生劑進(jìn)行了探討,該法針對高硬度、高

32、堿度、高溶解固形物的工業(yè)鍋爐給水處理有顯著的成效。美國Orica Watercare 公司研發(fā)出一種弱酸、磁性陽離子樹脂,該樹脂對硬度去除具有極佳的效果24。沸石對水中總硬度的吸附也有一定的效果,楊亞麗等采用正交試驗(yàn)法,研究了沸石分子篩對水中總硬度的去除效果,加入沸石后2h 內(nèi),硬度下降最快,210h間下降速度減緩,24h 內(nèi)去除效果達(dá)80%以上25。國外學(xué)者對離子交換樹脂應(yīng)用于飲用水處理時(shí)的安全性與穩(wěn)定性,存在爭議。Jerome 等26人的研究表明,在未經(jīng)氯化消毒的情況下,陰離子交換樹脂可能會(huì)產(chǎn)生高致癌性的氮類消毒副產(chǎn)物(N-DBPs )。J.A. 等27發(fā)現(xiàn),離子交換樹脂經(jīng)過反復(fù)清洗或重復(fù)

33、使用后,檢出的溶出物量將會(huì)減少。膜技術(shù)具有不易于飲用水產(chǎn)生副產(chǎn)物等優(yōu)點(diǎn),在飲用水處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。膜過濾法以高分子膜為介質(zhì),借助附加能量產(chǎn)生的推動(dòng)力,對雙組分或多組分溶液進(jìn)行過濾分離,因而是對飲用水處理的一種高效手段28。通過電滲析、納濾膜(NF )以及反滲透膜(RO )來攔截水中的鈣鎂離子,以達(dá)到從根本上降低水的硬度的目的,這便是膜軟化法的原理。膜軟化法在海水軟化方面有著廣泛的應(yīng)用,國內(nèi)在這方面也有著大量的研究,如利用納濾膜和超濾膜合成的新材料來進(jìn)行海水軟化等29。在飲用水等常規(guī)水硬度處理領(lǐng)域,膜軟化法也經(jīng)常被用來替代石灰軟化法等常規(guī)工藝。這是因?yàn)?,膜軟化法不僅能有效去除水中的硬度,

34、還能去除有機(jī)物、懸浮物和部分單價(jià)無機(jī)鹽,出水水質(zhì)明顯優(yōu)于其他軟化工藝30。電膜法更多地應(yīng)用于低硬度水的深度處理,如電滲析(ED )、RO/電去離子(EDI )等,以及為改善膜污染發(fā)展起來的反向電滲析(EDR )、反向電去離子(EDIR )等31。在國外,很早就有學(xué)者對膜軟化法在飲用水硬度處理方進(jìn)行了研究。Michal Bodzek 等32對選定膜軟化飲用水的各項(xiàng)參數(shù)和機(jī)理進(jìn)行了深入研究,并建立了模型。納濾膜在水軟化方面應(yīng)用很廣,Alexander R. Anim-Mensah, William Bill Krantz以及Rakesh Govind采用納濾膜軟化水,同時(shí)還研究了陰離子對軟化過程的

35、影響33。膜材料的發(fā)展也使得膜的應(yīng)用越來越廣泛,Sriram Suryanarayan等34選取三種不同的中空纖維膜,研究了每種膜的軟化效果并探討了他們在水軟化方面的用處。Chi-Wang Li等35利用結(jié)合膜和顆粒流化床反應(yīng)器,進(jìn)行硬度處理研究,并對處理過程中天然有機(jī)物和硫化物的影響進(jìn)行了分析,證明天然有機(jī)物濃度越高,硬度處理率越低,而硫化物則相反。Caroline G. Russell等36則對軟化過程所產(chǎn)生的鈣鎂沉淀物的化學(xué)成分和表面特性對天然有機(jī)物質(zhì)吸附的影響進(jìn)行了研究。Maryam 等37借助紫外線合成了聚砜礬納濾膜,并將其用于水的軟化。Ergun Yildiz等38使用橫向流式的膜

36、反應(yīng)器進(jìn)行飲用水硬度處理,對反應(yīng)機(jī)理和結(jié)果進(jìn)行了深入的分析。除了上述常用的方法,電磁法39也是飲用水軟化的一種方法。該法是在水中加上一定的電場或磁場來改變離子的特性,從而改變碳酸鈣和碳酸鎂沉積的速度及沉淀時(shí)的物理特性來阻止水垢的形成。另外,楊亞麗等40研究了沸石分子篩對水中總硬度的去除效果,結(jié)果表明沸石分子篩對水中總硬度的吸附效果非常顯著。殼聚糖可作為硬水軟化處理劑,葉盛權(quán)等41采用正交實(shí)驗(yàn)法探討了殼聚糖軟化硬水的最佳處理?xiàng)l件,實(shí)驗(yàn)取得了較好的效果,證明殼聚糖具有較大的應(yīng)用前景。Hong-Joo Lee等42通過定期改變電極,對電去離子軟化水的可行性進(jìn)行了研究,取得了理想的試驗(yàn)結(jié)果。電容法也是

37、硬水軟化的方法之一,Seok-Jun Seo等43利用電容法去除硬度離子以應(yīng)用于水的軟化。1993年,G .A. van Houwelingen 等還報(bào)道了流化床在飲用水硬度處理方面的研究應(yīng)用44。離子交換法、膜軟化法等軟化方法效果明顯且穩(wěn)定,但設(shè)備投資和運(yùn)行成本都較高。相比而言,石灰軟化成本低,操作簡單,適用于不要求深度處理軟化的場合。因此,本研究采用石灰軟化絮凝法。1.5 研究內(nèi)容本課題是針對佛山市三水區(qū)六和水廠地下水源硬度處理效果而進(jìn)行的研究,擬采用石灰軟化絮凝法進(jìn)行試驗(yàn)。本研究的主要內(nèi)容如下:(1)通過靜態(tài)燒杯試驗(yàn),確定最佳工藝參數(shù),如Ca(OH2溶液(配制成1%溶液)和絮凝劑(聚合氯

38、化鋁PAC ,配制成4%溶液)的最佳投加量、攪拌速度和反應(yīng)時(shí)間。(2)根據(jù)靜態(tài)試驗(yàn)的研究結(jié)果,以及參考國內(nèi)外有關(guān)資料中的設(shè)計(jì)參數(shù),提出技術(shù)先進(jìn),運(yùn)行可靠,經(jīng)濟(jì)合理的的工藝流程,確定動(dòng)態(tài)中試試驗(yàn)設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)。(3)通過動(dòng)態(tài)的模擬試驗(yàn),進(jìn)一步優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)參數(shù),并考察石灰軟化絮凝法在工藝運(yùn)行中對硬度的去除效果;CaCO 3和Mg(OH2沉淀物(或膠體)的去除率等。(4)根據(jù)靜態(tài)燒杯試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)模型試驗(yàn),提出生產(chǎn)性試驗(yàn)方案并進(jìn)行技術(shù)與經(jīng)濟(jì)分析。=2 靜態(tài)燒杯試驗(yàn)研究2.1 石灰軟化法基本原理石灰法適用于暫時(shí)硬度高、永久硬度低的水質(zhì)處理,利用的是溶度積原理。其反應(yīng)如下:CaO +H 2O Ca (OH 2

39、投加的石灰先與水中CO 2發(fā)生反應(yīng),CO 2+Ca (OH 2CaCO 3+H 2O與水中CO 2反應(yīng)完全后,再與水中碳酸鹽Ca 2+、Mg 2+反應(yīng),Ca (HCO 3 2+Ca (OH 22CaCO 3+2H 2OMg (HCO 3 2+Ca (OH 2MgCO 3+2H 2OMgCO 3+Ca (OH 2CaCO 3+Mg (OH 2為了去除水中鈣、鎂離子,反而加入Ca(OH2,似乎存在著矛盾。但是,分析上述反應(yīng)可知,為使水中HCO 3-離子轉(zhuǎn)化為CO 32-離子,石灰提供了所需的OH -離子。投加石灰的實(shí)質(zhì)是為了產(chǎn)生過剩的CO 32-離子,使之與原水中鈣、鎂離子生產(chǎn)沉淀析出。石灰加入量

40、可用下列計(jì)算式估算。CaO 281CO 2+M 總+H Mg +a (mg /L 式中,M 總原水總硬度(H +計(jì)),mmol/L;H Mg 原水鎂硬度(1/2 Mg2+計(jì)),mmol/L;a 石灰過剩量(1/2 CaO計(jì)),mmol/L(一般取0.20.4 mmol/L); 281/2 CaO的摩爾質(zhì)量,g/mol;1工業(yè)石灰純度,%。石灰蘇打軟化法是在水中同時(shí)投加石灰和蘇打(Na 2CO 3)。石灰用以降低水的碳酸鹽硬度,蘇打用于降低水的非碳酸鹽硬度。與Na 2CO 3有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)表示如下:CaSO 4+Na 2CO 3CaCO 3+Na 2SO 4 CaCl 2+Na 2CO 3CaC

41、O 3+2NaClMgSO 4+Na 2CO 3MgCO 3+Na 2SO 4 MgCO 3+Ca (OH 2CaCO 3+Mg (OH 2該法適用于硬度大于堿度的水。2.2 試驗(yàn)條件六和水廠地下水水源水質(zhì)如表2-1所示。表2-1 六和水廠水源水水質(zhì)檢測項(xiàng)目 單位 測定結(jié)果氟化物 mg/L 0.14碳酸鹽硬度 mg/L 246.5非碳酸鹽 硬度 mg/L 37.5總堿度 mg/L 246.5Fe 3+ mg/L 0.041Mn 2+ mg/L 0.017鈣硬度 mg/L 245.3鎂硬度 mg/L 27.4試驗(yàn)過程中用到的儀器有AUX220電子天枰、電子萬用爐、HACH 便攜式濁度儀(2100

42、P )、TS-110型pH 計(jì)、JB-3型定時(shí)恒溫磁力攪拌器、MY3000-6智能型混凝試驗(yàn)攪拌儀以及錐形瓶、滴定管、移液管等常用玻璃儀器。 圖2-1 MY3000-6智能型混凝試驗(yàn)攪拌儀(1)鈣標(biāo)準(zhǔn)溶液:10mmol/L; (2)EDTA-2Na 標(biāo)準(zhǔn)溶液:10mmol/L; (3)氨水緩沖溶液(pH=10; (4)0.5鉻黑T 指示劑; (5)0.5硫化鈉溶液; (6)1.0鹽酸羥胺溶液; (7)10氰化鉀溶液;表2-2 檢測項(xiàng)目及方法檢測項(xiàng)目 總硬度 總堿度 鈣、鎂硬度濁度 pH檢測方法 EDTA 滴定法 酸堿滴定法 EDTA-Na2容量法濁度儀 玻璃電極法2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析原水水樣

43、的pH=7.5,濁度為0.4NTU ,總硬度為299.89mg/L,鈣硬度為244.24mg/L,堿度為274.27mg/L。取6只燒杯,加入原水1000mL ,投加1%的熟石灰溶液(由85%、400目的水處理級石灰配制而成)的量分別為100、200、300、400、500、600mg/L,采用4%的PAC 作為混凝劑,投加量為15mg/L。在一定水力條件下(見表2-3)反應(yīng)一段時(shí)間,靜置30min 后過濾,測得反應(yīng)后水樣的pH 、濁度、硬度(鈣硬度和鎂硬度)以及堿度(非碳酸鹽堿度和碳酸鹽堿度)。表2-3 試驗(yàn)混凝攪拌水力條件試驗(yàn)階段 混合轉(zhuǎn)速(r/min)300 300 160絮凝(投加PA

44、C )130 100 60 30沉淀時(shí)間(min )2 0.5 4 4 4 4 4 30pH 、濁度、硬度、鈣硬度、鎂硬度、非碳酸鹽堿度以及碳酸鹽硬堿度變化趨勢如圖2-2、2-3、2-4以及2-5所示。 圖2-2 石灰投加量與反應(yīng)后水樣的總硬度和總堿度之間的關(guān)系 圖2-3 石灰投加量與反應(yīng)后水樣的鈣硬度和鎂硬度之間的關(guān)系由圖2-2可知,隨著石灰投加量的增加,反應(yīng)后水樣的總硬度和總堿度先增加后降低。石灰投加量為300mg/L時(shí),總硬度和總堿度達(dá)到最低,分別為71.07mg/L和43.04mg/L。由圖2-3可知,鎂硬度隨著石灰投加量的增加而降低,鈣硬度則隨著石灰投加量的增加先降低再升高。鈣硬度在

45、石灰投加量為300mg/L時(shí)均達(dá)到最低,最低值為48.04mg/L。結(jié)合圖2-2和圖2-3,可以看出,投加石灰能有效去除鈣硬度和鎂硬度,水的總硬度能夠降到最低;當(dāng)石灰過量時(shí),鎂硬度在不斷降低的同時(shí),鈣硬度反而增加,石灰投加量越多,鈣硬度增加的也就越多,因而總硬度也會(huì)隨著石灰投加量的增加而增大;石灰投加量在0300mg/L范圍內(nèi)時(shí),原水的總硬度和鈣硬度都是隨著石灰投加量的增加而減小,并在石灰投加量為300mg/L時(shí)達(dá)到最低,說明總硬度的降低主要原因是鈣硬度的減少。 圖2-4 石灰投加量與反應(yīng)后水樣的非碳酸鹽堿度和碳酸鹽堿度之間的關(guān)系根據(jù)圖2-4,在石灰投加量小于300mg/L時(shí),水樣的非碳酸鹽堿

46、度幾乎為零,水樣的總堿度即為碳酸鹽堿度。這是因?yàn)樗畼拥膒H 較低,非碳酸鹽堿度無法存在于偏酸的條件下。石灰投加量增加,水樣pH 升高,非碳酸鹽堿度也隨之升高。而碳酸鹽堿度則因?yàn)镺H -濃度的增加不斷被反應(yīng),直到全部被去除,使得水樣碳酸鹽堿度最后趨于穩(wěn)定。碳酸鹽堿度在石灰投加量超過300mg/L后,基本將為零且基本趨于穩(wěn)定。從而推斷出,總硬度的減小表現(xiàn)為碳酸鹽堿度的降低。 圖2-5 石灰投加量與反應(yīng)后水樣的pH 和濁度之間的關(guān)系水樣的pH 和濁度可由圖2-5反映出,石灰投加量在200300mg/L時(shí),水樣的濁度最低。將水樣燒開后冷卻,觀察燒開可見物并測量濁度。結(jié)果表明,石灰投加量在100300m

47、g/L時(shí),燒開可見物已經(jīng)有明顯減少,甚至不可見。 圖2-6 石灰投加量與反應(yīng)后水樣的總硬度、總堿度以及濁度之間的關(guān)系原水水樣的pH=7.2,濁度為0.3NTU ,總硬度為280.3mg/L,總堿度為255.3mg/L。PAC 投加量為15mg/L。取1000mL 水樣,分別加入120、140、160、180、200、220、240、260、280和300mg/L的石灰溶液。同樣,在一定水力條件下反應(yīng)一段時(shí)間,靜置30min 后過濾,測量反應(yīng)后水樣的硬度以及堿度,再將水樣燒開后測量濁度觀察肉眼可見物,結(jié)果如圖2-6所示。混凝劑種類繁多,且具有不同的使用條件。其中,pH 對混凝劑混凝效果影響最大。

48、幾種常用混凝劑使用的pH 范圍如表2-4所示。表2-4 幾種常用混凝劑使用的pH 范圍12中文名稱 氯酸鈉 水合硫酸鋁 硫酸鋁 聚氯化鋁 聚氯化硫酸鋁 聚硅酸硫酸鋁 硫酸亞鐵 硫酸鐵 氯化鐵 聚硫酸鐵分子式 NaAlO 2 AL 2(SO4 3·xH z OAL 2(SO4 3 AL x (OHy CL z AL 2(SO4 x CL y (OHz AL w (OHx (SO4 y (SiO2zFeSO 4·7H z O Fe 2(SO4 3 FeCl 3 Fe 2(SO4 3英文名稱 Sodium aluminate Aluminium sulpHate Aluminiu

49、m sulpHate Polyaluminium chloride Polyaluminium chlorosulpHate Polyaluminium silicate sulpHateFerrous sulpHate Ferric sulpHate Ferric chloride Polymeric ferric sulpHatepH 6.57.5 5.57.5 5.57.5 69 6.57.8 6.58 410(氯化49 49 >4.5 圖2-7 PAC 投加量與反應(yīng)后水樣的濁度、硬度及堿度之間的關(guān)系原水水樣的pH=7.2,濁度為0.3NTU ,總硬度為280.3mg/L,總堿度為

50、255.3mg/L。取1000mL 水樣,加入180mg/L石灰溶液后,分別加入0、20、25、30、35和50mg/L的混凝劑PAC 。反應(yīng)靜置30min 后,測量過濾前水樣的濁度,然后測量過濾后水的濁度、硬度和堿度。試驗(yàn)結(jié)果如圖2-7所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知,待濾水濁度隨PAC 投加量增加而明顯降低。不投加PAC 時(shí),待濾水濁度為334NTU ,投加少量(20mg/L)PAC 濁度即降低為25.3NTU ,當(dāng)PAC 投加量為40mg/L以上,待濾水濁度可以控制在10NTU 以下。硬度、堿度基本不受PAC 投加量影響。雖然從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,PAC 投加量對過濾后水樣的濁度影響不大,但待濾水濁度過高會(huì)對過濾材料產(chǎn)生影響,考慮到后續(xù)的生產(chǎn)實(shí)際,PAC 投加量建議取1530mg/L。原水水樣的pH=7.52,濁度為0.35NTU ,總硬度為270.73mg/L,總堿度為259.7mg/L。取1000mL 水樣,加入200mg/L石灰溶液和20mg/L的混凝劑PAC 。在一定的水力條件下攪拌反應(yīng),分別測定靜置0、30、60、90和120min 時(shí)的待濾水濁度、待濾水pH 、濾后水濁度、濾后水pH 、濾后水硬度、濾后水堿度,以及燒開后的濁度并觀察

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