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+Na2SO4 CaCl2+Na2CO3CaCO3+2NaCl MgSO4+Na2CO3MgCO3+Na2CO3 MgCO3+Ca(OH)2CaCO3+Mg(OH)2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(shí)間對(duì)處理效果的影響。結(jié)果表明，在CaO和Na2CO3的投量分別為187和106mgL并反應(yīng)25min

2、的條件下，再投加10mgL的聚合氯化鋁鐵和025mgL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、200mgL，在略高于理論投藥量的條件下，需控制攪拌反應(yīng)時(shí)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(jì)劃適度開采高儲(chǔ)量的地下水作為飲用水水源(開采量約為50×10 m 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(duì)該地下水進(jìn)行軟化及除氟處理。降低水中硬度的常用方法有離子交換法、

3、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(jià)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(jià)格較低，但如果用量不當(dāng)，則會(huì)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(yàn)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wwwwatergasheatcorn 混凝沉淀法和離子交換法等。目前，國內(nèi)外對(duì)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(duì)水中低含量氟離子去除的報(bào)道卻較少。針對(duì)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凝法處理該地下.石灰軟化

4、法處理飲用水硬度試驗(yàn)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(duì)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(gè)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(cè)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(cè)井總數(shù)的46.15%。根據(jù)國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T14848-93，地下水總硬度共分五類，地下水中總硬度超標(biāo)井（

5、類、類）數(shù)達(dá)46.15%，而總硬度含量較低的井（類、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(yàn)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CaCO3計(jì)），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)檢測(cè)結(jié)果,水源井硬度始終居高不下,而且呈逐年上升的趨勢(shì),其結(jié)果必然導(dǎo)致水源及配水能力的減少,對(duì)北京市的

6、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(yàn)，同時(shí)將要開展納濾膜處理飲用水硬度試驗(yàn)，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(yàn)，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(yàn)工藝流程 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CaCO3和Mg（OH）2的形式在水中沉析出來。水的藥劑軟

7、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CaCO3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(yàn)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(gè)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，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(yàn)結(jié)果表明，軟化水量為3.

8、5m3/h，石灰投加量為400 mg/l（以商品計(jì)）時(shí)，軟化和過濾對(duì)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(shí)以上。石灰軟化法對(duì)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(yàn)，第一階段中試試驗(yàn)是在小試的基礎(chǔ)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(yàn)第一階段工藝流程

9、如下圖2所示： 第一階段中試試驗(yàn)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況來看，錐形反應(yīng)器對(duì)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(shí)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)。為了解決中試試驗(yàn)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(duì)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(yàn)。第二階段試驗(yàn)工藝流程如下圖3所

10、示。 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(shí)間16.6分鐘。3 過濾：采用4個(gè)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8×6m、深3.5m、有效水深3.5m、有效容積120m3、池內(nèi)設(shè)配水泵一臺(tái)、單臺(tái)水量145 m3/h、反沖水泵一臺(tái)、單臺(tái)水量200 m3/h、反沖強(qiáng)度為12L/m2.s。此外還設(shè)有液位計(jì)一臺(tái)。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(tái)，平面

11、尺寸 5×4m、有效水深2.5m、有效容積50 m3.6 加藥池：共設(shè)2個(gè)，單個(gè)平面尺寸3×3m、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(gè)池內(nèi)設(shè)有攪拌機(jī)一臺(tái)、超聲波液位計(jì)一臺(tái)、加藥池設(shè)加藥泵一臺(tái)、變頻控制、供藥藥泵一臺(tái)、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 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CaO計(jì)） 10%3、石灰注入量 400mg/l4、聚合氯化鋁絮凝劑投加量

12、（以原液計(jì)） 8-20L/ h、密度1.25在本試驗(yàn)中，水質(zhì)分析項(xiàng)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滴定法；3、pH：采用pH計(jì)測(cè)定法；4、濁度：采用濁度儀測(cè)定法 四、試驗(yàn)結(jié)果與分析 1. 對(duì)硬度的去除效果對(duì)硬度的去除效果曲線如圖4所示： 從圖4中可知，整個(gè)試驗(yàn)過程中，對(duì)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230-320mg/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。

13、 圖5中顯示，當(dāng)pH值在8.5左右時(shí)，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(shí)，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(huì)對(duì)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(duì)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。 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)

14、隨著加藥量(聚合氯化鋁以原液計(jì))的增加，混凝沉淀池的濁度逐漸下降，加藥量為38mg/L時(shí)，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(gè)工藝是否能正常運(yùn)行，若排泥不正常，增加操作的困難，影響出水水質(zhì)。本試驗(yàn)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(shí)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(yàn)中期8小時(shí)一次，試驗(yàn)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(shí)間運(yùn)行，造成底

15、部污泥壓實(shí)，不宜排放，泥斗體積縮小；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 圖7錐形反應(yīng)器出水濁度為200NTU以上時(shí)，混凝沉淀池、濾罐出水濁度的變化曲線。對(duì)于現(xiàn)有工藝設(shè)備，從圖7試驗(yàn)結(jié)果表明錐型反應(yīng)器出水濁度大于200NTU時(shí)，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。 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。 圖9中顯示增

16、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(shí)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(shí)，濾罐運(yùn)行10小時(shí)后，濾后水濁度突然增加，反沖洗周期只為10小時(shí)。因此混凝沉淀工藝處理單元對(duì)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(yàn)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：   表：各階段試驗(yàn)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>

17、;20031穩(wěn)定<0.52509.5從表中可知，三個(gè)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?？梢詮臋C(jī)理上做一簡(jiǎn)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

18、結(jié)合時(shí)，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(shí)，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，混凝沉淀的沉淀物質(zhì)也以碳酸鈣為主的絮狀礬花存在，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(gè)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

19、 ：人均月工資為2000元，每噸水成本=2000元×4人/3360噸/天×30天=0.08元/噸2電費(fèi)： 配水泵：7.5kW×24h=180 kWh攪拌器 7.5kW×24h×2 =360kWh回流泵 0.75kW×24h =18kWh加藥泵（變頻） 0.55kW×24h =13.2kWh電動(dòng)蝶閥0.2kW×24h =4.8kWh0.3kW×8×24h =7.2kWh供藥泵1.5kWh×24h =36kWh每月總耗電量=（180+360+18+13.2+4.8+7.2+36）×

20、;30天=18576kWh每噸水耗電成本=18576×0.5元/3360噸/天×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(jì)算：折舊以20年計(jì)，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(yàn)結(jié)果表明該工藝對(duì)總硬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

21、性的檢測(cè)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(shí)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(yàn)采用管道混合，混凝效果沒有完全發(fā)揮出來，同時(shí)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(yàn)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(gè)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：建議將回流池改為泥渣濃縮池，設(shè)置板框壓濾機(jī)，